CN103078171B

CN103078171B - 频率可重构天线及其制备方法

Info

Publication number: CN103078171B
Application number: CN201310002584.1A
Authority: CN
Inventors: 蔡坚; 魏体伟; 王谦
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Xiamen Qingxin Integrated Technology Co., Ltd
Priority date: 2013-01-05
Filing date: 2013-01-05
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2033-01-05
Also published as: CN103078171A

Abstract

本发明针对现有技术中采用频率可重构天线的无线通信装置体积大的缺陷，提供一种能够克服该缺陷的频率可重构天线及其制备方法。本发明提供的频率可重构天线包括：半导体衬底；形成于所述半导体衬底中的多个硅通孔，所述硅通孔中形成有天线元件；位于所述半导体衬底的一侧上并用于实现各个天线元件之间的选择性连接的多个第一开关；位于与所述半导体衬底的所述一侧相对立的另一侧上并用于与所述第一开关相配合来实现至少三个天线元件的串联的多个第二开关和/或导线；以及用于接收/发射天线信号的输入/输出电路。

Description

频率可重构天线及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及频率可重构天线及其制备方法。

背景技术

在无线通信装置中，一般都包括用于发射和接收信号的天线。随着高频卫星通信系统、雷达和无线通信系统的飞速发展，对天线的要求也越来越高。一方面，需要使天线能够工作在多个频段，具有多种工作模式并具有很好的传输性能，另一方面又要减小天线的重量和体积。

1983年，D.Schaubert首次提出频率可重构天线的概念，频率可重构天线通过改变天线的尺寸或者天线加载的电抗值来改变天线的频率，这样可以通过切换天线不同的状态使天线具有多种工作频率，从而有利于在传输中实现多种有效的分集。目前大多数频率可重构天线设计都采用MEMS开关来实现频率重构。与传统的PIN二极管开关和MESFET开关相比，MEMS开关具有低导通电阻、高断开隔离度、低插入损耗和低寄生电容等优良的射频特性及尺寸小等特点，使得它更适合应用于频率可重构天线的设计。

但是，由于天线通常都是位于半导体芯片的外部，所以频率可重构天线与半导体芯片常常是预先分开制造并随后被耦合在一起以得到最终所需的无线通信装置，这使得最终得到的无线通信装置的体积偏大。

发明内容

本发明针对现有技术中采用频率可重构天线的无线通信装置体积大的缺陷，提供一种能够克服该缺陷的频率可重构天线及其制备方法。

本发明提供一种频率可重构天线，该频率可重构天线包括：

半导体衬底；

形成于所述半导体衬底中的多个硅通孔，所述硅通孔中形成有天线元件；

位于所述半导体衬底的一侧上并用于实现各个天线元件之间的选择性连接的多个第一开关；

位于与所述半导体衬底的所述一侧相对立的另一侧上并用于与所述第一开关相配合来实现至少三个天线元件的串联的多个第二开关和/或导线；以及

用于接收/发射天线信号的输入/输出电路。

本发明还提供一种制备频率可重构天线的方法，该方法包括：

在半导体衬底中形成多个硅通孔；

在所述硅通孔中形成天线元件；

在所述半导体衬底的一侧上形成用于实现各个天线元件之间的选择性连接的多个第一开关；

在与所述半导体衬底的所述一侧相对立的另一侧上形成用于与所述第一开关相配合来实现至少三个天线元件的串联的多个第二开关和/或导线；以及

形成用于接收/发射天线信号的输入/输出电路。

由于根据本发明的频率可重构天线及其制备方法是在半导体衬底中的硅通孔中形成天线元件，并利用开关来实现天线工作频率的可重构性，所以其至少具备以下优点：（1）能够与半导体制造工艺相兼容；（2）将天线元件集成在半导体衬底中的硅通孔中，使得天线元件与半导体芯片能够被耦合在一个芯片中，从而有效地减小了天线的体积；（3）利用开关来控制天线元件之间的连接，从而控制天线的尺寸，使得能够实现天线在不同的工作频率之间进行切换。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一种实施方式的频率可重构天线的剖面图；

图2是根据本发明一种实施方式的目标中心频率为2.5GHz的频率可重构天线的俯视图；

图3是根据本发明一种实施方式的目标中心频率为2.5GHz的频率可重构天线的另一俯视图；

图4是根据本发明一种实施方式的目标中心频率为5GHz的频率可重构天线的俯视图；

图5为根据本发明一种实施方式的制备频率可重构天线的流程图；以及

图6a-6g是在第一开关为微悬臂型MEMS开关的情况下根据本发明的频率可重构天线的制备流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，根据本发明一种实施方式的频率可重构天线包括：半导体衬底1；形成于所述半导体衬底1中的多个硅通孔2，所述硅通孔中形成有天线元件3；位于所述半导体衬底1的一侧上并用于实现各个天线元件3之间的选择性连接的多个第一开关4；位于与所述半导体衬底1的所述一侧相对立的另一侧上并用于与所述第一开关4相配合来实现至少三个天线元件3的串联的多个第二开关和/或导线5；以及用于接收/发射天线信号的输入/输出电路6。

优选地，所述半导体衬底1并不局限于硅衬底，还可以为SOI（绝缘体上硅）衬底或其他衬底，只要所选择的半导体衬底1适于在该半导体衬底1中的硅通孔2中制备天线元件3即可。另外，半导体衬底1的厚度优选可以在从25微米到300微米的范围内变化，但是本领域技术人员应当理解，在实际应用中，半导体衬底1的厚度并不局限于上述的范围，其还可以为其他数值，只要半导体工艺能够实现即可。硅通孔2的直径优选可以在从5微米到100微米的范围内变化，但是本领域技术人员应当理解，在实际应用中，硅通孔2的直径并不局限于上述的范围，其还可以为其他数值，只要半导体工艺能够实现即可。另外，硅通孔内部可以填充金属或者其他用于形成天线元件3的材料。

优选地，所述第一开关4和所述第二开关5可以为MEMS开关或其他类型的半导体开关，例如MESFET开关、PIN开关等，其中在图1中是以压阻型MEMS开关为例绘出了根据本发明的频率可重构天线的剖面图。优选地，所述MEMS开关可以包括并联式MEMS开关和串联式MEMS开关。

优选地，所述频率可重构天线还可以包括用于控制所述第一开关4和所述第二开关5的通断的控制电路7（未示出）。可以通过控制第一开关4和第二开关5的通断状态来改变最终得到的天线的尺寸，进而改变天线的工作频率。另外，位于与所述半导体衬底1的所述一侧相对立的另一侧上的用于与所述第一开关4相配合来实现至少三个天线元件3的串联的所述多个第二开关和/或导线5可以仅是多个第二开关，也可以仅是多个导线，还可以是第二开关和导线的组合，当然，更优选地是，所述多个第二开关和/或导线5可以被设计成仅为多个导线5（例如，图1中示出了多个第二开关和/或导线5仅为导线的图示），从而可以通过只控制第一开关4的通断来改变最终得到的天线的尺寸，以便进而改变天线的工作频率。

作为根据本发明的频率可重构天线的一个实施例，假定无线通信系统需要实现2.5GHz、5GHz、10GHz和25GHz四个工作频率的切换，则在此实施例中，四分之一波长分别为30mm、15mm、7.5mm和3mm，因此该实施例中四个工作频率所对应的天线的目标长度分别为30mm、15mm、7.5mm和3mm。假定根据本发明的可重构天线中的硅通孔之间的间距为100um、高度为200um、孔径为40um，则一个天线元件L形部分的长度为300um，因此上述四个工作频率所对应的串联L形天线元件3的数目分别为100、50、25和10个，图2-4分别示出了目标中心频率分别为2.5GHz和5GHz的频率可重构天线的示意性俯视图，而且为了能够更清楚的示出天线元件3、第一开关4和第二开关和/或导线5之间的连接关系，在图2-4中用虚线示出了在俯视观察时看不到的第二开关和/或导线5。本领域技术人员应当理解的是，天线元件的布局是任意的，并不局限于图2-4所示的布局。

本发明还提供了一种制备根据本发明的频率可重构天线的方法，如图5所示，该方法包括：

S51、在半导体衬底1中形成多个硅通孔2。

其中，所述半导体衬底1并不局限于硅衬底，还可以为SOI衬底或其他衬底，只要所选择的半导体衬底1适于在该半导体衬底1中的硅通孔2中制备天线元件3即可。另外，半导体衬底1的厚度优选可以在从25微米到300微米的范围内变化，但是本领域技术人员应当理解，在实际应用中，半导体衬底1的厚度并不局限于上述的范围，其还可以为其他数值，只要半导体工艺能够实现即可。此外，硅通孔2的直径优选可以在从5微米到100微米的范围内变化，但是本领域技术人员应当理解，在实际应用中，硅通孔2的直径并不局限于上述的范围，其还可以为其他数值，只要半导体工艺能够实现即可。

S52、在所述硅通孔2中形成天线元件3。

其中，硅通孔2的内部可以填充金属或者其他用于形成天线元件3的材料，从而形成天线元件3。

S53、在所述半导体衬底1的一侧上形成用于实现各个天线元件3之间的选择性连接的多个第一开关4。

S54、在与所述半导体衬底1的所述一侧相对立的另一侧上形成用于与所述第一开关4相配合来实现至少三个天线元件3的串联的多个第二开关和/或导线5。

优选地，所述第一开关4和所述第二开关5可以为MEMS开关或其他类型的半导体开关，例如MESFET开关、PIN开关等。而且，所述MEMS开关可以包括并联式MEMS开关和串联式MEMS开关。另外，位于与所述半导体衬底1的所述一侧相对立的另一侧上的用于与所述第一开关4相配合来实现至少三个天线元件3的串联的所述多个第二开关和/或导线5可以仅是多个第二开关，也可以仅是多个导线，还可以是第二开关和导线的组合，当然，更优选地是，所述多个第二开关和/或导线5可以被设计成仅为多个导线5（例如，图1中示出了多个第二开关和/或导线5仅为导线的图示），从而可以通过只控制第一开关4的通断来改变最终得到的天线的尺寸，以便进而改变天线的工作频率。

S55、形成用于接收/发射天线信号的输入/输出电路。

另外，根据本发明的制备频率可重构天线的方法还可以包括形成用于控制所述第一开关4和所述第二开关5的通断的控制电路。

下面结合第一开关4为微悬臂型MEMS开关、第二开关和/或导线5仅为导线的情况来描述根据本发明的制备频率可重构天线的方法的实施例，其流程剖面图如图6a-6g所示。

首先，如图6a所示，在半导体衬底1中形成多个硅通孔2，并在硅通孔2中形成天线元件3。

然后，可以例如通过物理气相淀积、化学气相淀积等方法来形成MEMS开关的金属层7和牺牲层8图形，如图6b所示。

然后，制备微悬臂型MEMS开关的悬臂梁9，如图6c所示。

然后，如图6d所示，将形成了悬臂梁9的结构与临时键合圆片11进行键合，例如，通过键合胶10进行键合。该临时键合圆片11相当于保护膜，能够在后续流程中对已形成的结构进行保护。应当理解的是，除了临时键合圆片10，还可以采用本领域技术人员公知的其他保护结构实现在后续流程中对已形成结构的保护。

然后，如图6e所示，进行背面减薄工艺，以从半导体衬底1的背面露出天线元件3。

然后，如图6f所示，在半导体衬底1的背面进行布线以形成导线12。

然后，如图6g所示，去除临时键合圆片11、临时键合胶10和牺牲层8，并之后通过倒装焊的方法与输出电路6进行组装从而得到最终的频率可重构天线。

本领域技术人员应当理解，图6a-6g仅是以第一开关4为微悬臂型MEMS开关为例来说明根据本发明的频率可重构天线的制备流程，但并不构成对本发明的限制。在不背离本发明精神和范围的情况下，可进行各种修改和变形。而且，根据本发明的频率可重构天线中的MEMS开关并不局限于微悬臂结构，其也可以采用微桥结构。由于微桥结构对于本领域技术人员而言是公知的，所以此处不再赘述。

虽然本发明已通过上述实施例所公开，然而上述实施例并非用以限定本发明，任何本发明所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，应当可以作各种的变动与修改。因此本发明的保护范围应当以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种频率可重构天线，该频率可重构天线包括：

半导体衬底；

用于接收/发射天线信号的输入/输出电路。

2.根据权利要求1所述的频率可重构天线，其中，所述半导体衬底为硅衬底或SOI衬底。

3.根据权利要求1所述的频率可重构天线，其中，所述第一开关和所述第二开关为MEMS开关、MESFET开关、PIN开关中的至少一者或其组合。

4.根据权利要求3所述的频率可重构天线，其中，所述MEMS开关包括并联式MEMS开关和串联式MEMS开关。

5.根据权利要求1所述的频率可重构天线，其中，所述频率可重构天线还包括用于控制所述第一开关和所述第二开关的通断的控制电路。

6.一种制备根据权利要求1至5中任一权利要求所述的频率可重构天线的方法，该方法包括：

在半导体衬底中形成多个硅通孔；

在所述硅通孔中形成天线元件；

形成用于接收/发射天线信号的输入/输出电路。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述半导体衬底为硅衬底或SOI衬底。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一开关和所述第二开关为MEMS开关、MESFET开关、PIN开关中的至少一者或其组合。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述MEMS开关包括并联式MEMS开关和串联式MEMS开关。

10.根据权利要求6所述的方法，该方法还包括形成用于控制所述第一开关和所述第二开关的通断的控制电路。