CN103811834A - 微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明的微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器采用一个平面螺旋电感，通过将两个相同的并联连接到CPW信号线和地线之间的MEMS可变平行板电容以及两个相同的串联连接到CPW信号线上的MIM电容依次对称放置在平面螺旋电感的左右两侧，构成具有带通特性的π型拓扑结构；MEMS可变平行板电容基于静电原理实现不同的电容大小，它的上极板为MEMS悬臂梁而下极板为CPW信号线，其中MEMS悬臂梁横跨在CPW信号线上且在CPW信号线的附近放置驱动电极；在MEMS悬臂梁下方的CPW信号线和驱动电极上覆盖Si3N4绝缘介质层。该滤波器实现了中心频率和带宽的连续调谐，而且具有低的损耗、好的带外抑制、宽的频带调谐、小的芯片面积。
Description
技术领域
本发明提出了微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器，属于微电子机械系统（MEMS）的技术领域。
背景技术
在现代微波通信系统中，可重构滤波器在军用和民用收发组件中具有重要的应用和研究价值。它极大地减小了在多频带应用中的系统尺寸，并可根据需求动态地选择和抑制信号的频率以及降低通道间的干扰。可重构滤波器包括数字型可重构滤波器和模拟型可重构滤波器。前者适用于一些离散工作频率的调谐，而后者适用于连续工作频率的调谐。在滤波器的设计中，无源的电感和电容是实现片上滤波器最简单的方法。在无源滤波器的设计中，采用传统方法（例如综合法或插入损耗法）设计的滤波器不仅需要电感的数量多且电感量较大，从而增大了滤波器的尺寸和寄生损耗，这与当今微型化、低损耗的微波收发组件的发展背道相驰。因而，可采用一些拓扑结构（例如π型结构）构成滤波器，从而在满足滤波性能要求的前提下从设计出发进一步降低滤波器自身的尺寸和损耗。对于可重构网络的设计，MEMS开关和变容器是比较理想的选择。并且，MEMS技术可显著地提高片上无源电感的品质因数和自谐振频率。然而，目前模拟型可重构滤波器与数字型相比具有广泛的应用前景但却有较少的研究。随着微波通信系统的日益发展，要求采用数量尽量少且电感量尽量小的片上无源电感以及电容值尽量小的无源电容来构成可重构微波带通滤波器，从而降低可重构滤波器的尺寸以及在微波频段产生的寄生损耗，并且能够实现连续中心频率和带宽的调谐。随着对MEMS悬臂梁结构的深入研究，使基于MEMS技术实现上述功能的悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器成为可能。
发明内容
技术问题：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器，实现了该可重构微波带通滤波器的中心频率和带宽的连续调谐，具有较小的芯片面积和损耗。
技术方案：本发明的微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器通过将两个相同的MEMS可变平行板电容和两个相同的金属-绝缘层-金属(MIM)电容依次对称放置在一个平面螺旋电感的左右两侧，其中每个MEMS可变平行板电容并联连接到共面波导（CPW）信号线和地线之间而每个MIM电容串联连接到CPW信号线上，从而构成具有带通特性的π型拓扑结构；MEMS可变平行板电容基于静电原理实现了不同的电容大小，MEMS悬臂梁和CPW信号线分别作为MEMS可变平行板电容的上极板和下极板，其中MEMS悬臂梁横跨在CPW信号线上且其一端通过锚区固定在CPW地线上而另一端处于自由状态，在MEMS悬臂梁下方CPW信号线的附近放置一个驱动电极，在该CPW信号线和驱动电极上覆盖Si3N4绝缘介质层，当在MEMS悬臂梁和驱动电极之间连续施加不同驱动电压，则连续降低了MEMS悬臂梁的高度，引起了MEMS可变平行板电容大小的连续改变，从而实现了该可重构微波带通滤波器的中心频率和带宽的连续调谐；该可重构微波带通滤波器具有较小的芯片面积和损耗。
本发明的微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器采用砷化镓（GaAs）为衬底，在GaAs衬底上设有CPW、一个平面螺旋电感、两个相同的MEMS可变平行板电容、MEMS悬臂梁、驱动电压、连接线、压焊块、空气桥以及两个相同的MIM电容：
CPW水平放置在衬底上，用于实现微波信号的传输以及平面螺旋电感、MEMS可变平行板电容和MIM电容的电连接。CPW是由一条信号线和两条地线组成的，其中两条CPW地线位于CPW信号线的两侧。为了便于测量，CPW的端口特征阻抗设计为50Ω。
平面螺旋电感位于该可重构微波带通滤波器的中间部位，其主要包括电感的线圈和下层通道两部分。其中，平面螺旋电感的线圈悬浮于GaAs衬底之上，而下层通道位于GaAs衬底上；电感线圈的外部接头与CPW信号线相连接而其内部接头与下层通道相连接；下层通道的另一端与CPW信号线相连接。在平面螺旋电感的线圈下方的下层通道上覆盖Si3N4绝缘介质层。
两个相同的MEMS可变平行板电容对称位于在平面螺旋电感的左右两侧，其中每个MEMS可变平行板电容并联连接到CPW信号线和地线之间。该MEMS可变平行板电容的上极板为MEMS悬臂梁而下极板为CPW信号线。MEMS悬臂梁横跨在CPW信号线上，且其一端通过锚区固定在CPW地线上而另一端处于自由状态。在每个MEMS悬臂梁下方CPW信号线的附近放置一个驱动电极，该驱动电极通过连接线与CPW地线外侧的压焊块相连接。在MEMS悬臂梁下方CPW信号线和驱动电极上覆盖Si3N4绝缘介质层。
连接线用于实现两个MEMS悬臂梁下方的驱动电极分别与两个压焊块相连接，以及CPW地线与另外一个压焊块相连接。在每个MEMS悬臂梁下方的驱动电极相连接的压焊块和CPW地线相连接的压焊块构成了两个直流输入端，用于施加MEMS悬臂梁的驱动电压。
空气桥用于实现被连接线分开的CPW地线的互连，在空气桥下方的连接线上覆盖Si3N4绝缘介质层。
两个相同的MIM电容对称位于在平面螺旋电感的左右两侧且位于在两个MEMS可变平行板电容的外侧，其中每个MIM电容串联连接到CPW信号线上。MIM电容的上下极板均为CPW信号线，并且上下极板之间通过Si3N4绝缘介质层隔开。
一个平面螺旋电感、两个并联连接到CPW信号线和地线之间的MEMS可变平行板电容以及两个串联连接到CPW信号线的MIM电容构成了该可重构微波带通滤波器，它是一个具有带通特性的π型拓扑结构。并且，平面螺旋电感、MEMS可变平行板电容和MIM电容分别具有较小的电感量和电容值。在结构中，平面螺旋电感的电感量变化主要使该微波带通滤波器的中心频率发生偏移；MEMS可变平行板电容的电容值变化主要使该微波带通滤波器的中心频率发生偏移且改变了其带通滤波器的带宽；MIM电容的电容值变化主要改变该微波带通滤波器的带宽。
在结构上，该滤波器在砷化镓衬底上设有水平放置的共面波导、一个平面螺旋电感、平面螺旋电感的下层通道、平面螺旋电感的线圈、两个MEMS可变平行板电容、MEMS悬臂梁、驱动电极、连接线、压焊块、空气桥、两个MIM电容以及Si3N4绝缘介质层；共面波导的中间为共面波导信号线，共面波导信号线的两侧为共面波导地线；其中，平面螺旋电感位于砷化镓衬底上表面的中央，两个并联连接到共面波导信号线和地线之间的MEMS可变平行板电容以及两个串联连接到共面波导信号线上的MIM电容依次对称放置在平面螺旋电感的左右两侧，从而构成具有带通特性的π型拓扑结构；平面螺旋电感包括平面螺旋电感的下层通道和线圈两部分；MEMS可变平行板电容基于静电原理实现了不同的电容大小，它的上极板为MEMS悬臂梁而下极板为共面波导信号线，其中MEMS悬臂梁横跨在共面波导信号线上，在MEMS悬臂梁下方共面波导信号线的附近放置一个驱动电极，该驱动电极通过连接线与共面波导两侧的地线外侧的压焊块相连接；被连接线分开的共面波导地线通过空气桥形成互连，其中在空气桥下方的连接线上覆盖Si3N4绝缘介质层；从而通过在MEMS悬臂梁和相应的驱动电极之间连续施加不同的驱动电压，则连续降低了MEMS悬臂梁的高度，引起了MEMS可变平行板电容大小的连续增大，实现了该可重构微波带通滤波器的中心频率和带宽的连续调谐。
两个MEMS可变平行板电容是相同的；两个MIM电容是相同的。
平面螺旋电感的线圈悬浮于砷化镓衬底之上，而下层通道位于砷化镓衬底上；平面螺旋电感的线圈的外部接头与共面波导信号线相连接而其内部接头与下层通道相连接；下层通道的另一端与共面波导信号线相连接；在平面螺旋电感的线圈下方的下层通道上覆盖Si3N4绝缘介质层。
所述MEMS悬臂梁的一端通过锚区固定在共面波导地线上而另一端处于自由状态；在MEMS悬臂梁下方共面波导信号线和驱动电极上覆盖Si3N4绝缘介质层。
有益效果：
1）该可重构微波带通滤波器实现了中心频率的连续调谐，而且连续改变了其相应的带宽；
2）基于静电原理的MEMS可变平行板电容的上极板采用MEMS悬臂梁结构，MEMS悬臂梁与MEMS固支梁相比具有较小的弹性系数，因而在引起MEMS可变平行板电容大小的变化时施加的驱动电压较小；
3）在结构中，电感的形状为平面螺旋电感、数量为一个且电感量较小，从而突破了传统可重构微波带通滤波器在连续改变中心频率和带宽时必须采用电感数量多且电感量大的限制；
4）具有传统可重构微波带通滤波器的低损耗、好的带外抑制等特点，还具有宽的频带调谐、小的芯片面积；
5）该可重构微波带通滤波器的制备方法与砷化镓单片微波集成电路兼容。
附图说明
图1是微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器的示意图；
图2是微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器的A-A剖面图；
图3是微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器的B-B剖面图；
图中包括：共面波导1，平面螺旋电感2，平面螺旋电感的下层通道3，平面螺旋电感的线圈4，MEMS可变平行板电容5、MEMS悬臂梁6、驱动电极7、连接线8、压焊块9、空气桥10、MIM电容11、Si3N4绝缘介质层12以及砷化镓衬底13。
具体实施方案
本发明的微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器的具体实施方案如下：
在砷化镓衬底13上设有共面波导1、一个平面螺旋电感2、两个相同的MEMS可变平行板电容5、MEMS悬臂梁6、驱动电压7、连接线8、压焊块9、空气桥10以及两个相同的MIM电容11：
共面波导1水平放置在衬底13上，用于实现微波信号的传输以及平面螺旋电感2、MEMS可变平行板电容5和MIM电容11的电连接。共面波导1是由一条信号线和两条地线组成的，其中两条CPW地线位于CPW信号线的两侧。为了便于测量，共面波导1的端口特征阻抗设计为50Ω。
平面螺旋电感2位于该可重构微波带通滤波器的中间部位，其主要包括电感的线圈4和下层通道3两部分。其中，平面螺旋电感的线圈4悬浮于GaAs衬底13之上，而下层通道3位于GaAs衬底13上；电感线圈4的外部接头与CPW信号线相连接而其内部接头与下层通道3相连接；下层通道3的另一端与CPW信号线相连接。在平面螺旋电感的线圈4下方的下层通道3上覆盖Si3N4绝缘介质层12。
两个相同的MEMS可变平行板电容5对称位于在平面螺旋电感2的左右两侧，其中每个MEMS可变平行板电容5并联连接到CPW信号线和地线之间。该MEMS可变平行板电容5的上极板为MEMS悬臂梁6而下极板为CPW信号线。MEMS悬臂梁6横跨在CPW信号线上，且其一端通过锚区固定在CPW地线上而另一端处于自由状态。在每个MEMS悬臂梁6下方CPW信号线的附近放置一个驱动电极7，该驱动电极7通过连接线8与CPW地线外侧的压焊块9相连接。在MEMS悬臂梁6下方CPW信号线和驱动电极7上覆盖Si3N4绝缘介质层12。
连接线8用于实现两个MEMS悬臂梁6下方的驱动电极7分别与两个压焊块9相连接，以及CPW地线与另外一个压焊块9相连接。在每个MEMS悬臂梁6下方的驱动电极7相连接的压焊块9和CPW地线相连接的压焊块9构成了两个直流输入端，用于施加MEMS悬臂梁6的驱动电压。
空气桥10用于实现被连接线8分开的CPW地线的互连，在空气桥10下方的连接线8上覆盖Si3N4绝缘介质层12。
两个相同的MIM电容11对称位于在平面螺旋电感2的左右两侧且位于在两个MEMS可变平行板电容5的外侧，其中每个MIM电容11串联连接到CPW信号线上。MIM电容11的上下极板均为CPW信号线，并且上下极板之间通过Si3N4绝缘介质层12隔开。
一个平面螺旋电感2、两个并联连接到CPW信号线和地线之间的MEMS可变平行板电容5以及两个串联连接到CPW信号线的MIM电容11构成了该可重构微波带通滤波器，它是一个具有带通特性的π型拓扑结构。并且，平面螺旋电感2、MEMS可变平行板电容5和MIM电容11分别具有较小的电感量和电容值。在结构中，平面螺旋电感2的电感量变化主要使该微波带通滤波器的中心频率发生偏移；MEMS可变平行板电容5的电容值变化主要使该微波带通滤波器的中心频率发生偏移且改变了其带通滤波器的带宽；MIM电容11的电容值变化主要改变该微波带通滤波器的带宽。
在机械结构上，CPW、平面螺旋电感2、MEMS可变平行板电容5、MEMS悬臂梁6、驱动电极7、连接线8、压焊块9、空气桥10、以及MIM电容11在同一块GaAs衬底13上。
本发明的微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器通过将两个并联连接到CPW信号线和地线之间的MEMS可变平行板电容5以及两个串联连接到CPW信号线的MIM电容11依次对称放置在一个平面螺旋电感2的左右两侧；MEMS可变平行板电容5基于静电原理实现了不同的电容大小，MEMS悬臂梁6和CPW信号线分别为MEMS可变平行板电容5的上下极板，其中MEMS悬臂梁6横跨在CPW信号线上且其一端通过锚区固定在CPW地线上而另一端处于自由状态，在MEMS悬臂梁6下方CPW信号线的附近放置一个驱动电极7，该驱动电极7通过连接线8与CPW地线外侧的压焊块9相连接；在MEMS悬臂梁下方的CPW信号线和驱动电极上覆盖Si3N4绝缘介质层。当在MEMS悬臂梁6和相应的驱动电极7之间连续施加不同的驱动电压，则连续降低了MEMS悬臂梁6的高度，在MEMS悬臂梁6下降到初始高度的三分之二之前引起了MEMS可变平行板电容大小的连续增大，从而实现了该可重构微波带通滤波器的中心频率和带宽的连续调谐；如果在MEMS悬臂梁6和相应的驱动电极7之间施加的驱动电压使得MEMS悬臂梁6下降到初始高度的三分之二，则MEMS悬臂梁6发生吸合状态，MEMS悬臂梁6直接与在其下方CPW信号线上的Si3N4绝缘介质层12相接触，此时MEMS可变平行板电容大小几乎不变，从而实现了该可重构微波带通滤波器的中心频率和带宽的最大程度调谐。
本发明的微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器的制备方法为：
1）准备砷化镓衬底13：选用半绝缘砷化镓为衬底；
2）在砷化镓衬底13上涂覆光刻胶，去除预备制作CPW1、平面螺旋电感的下层通道3、MEMS可变平行板电容5的下极板、MIM电容11的下极板、驱动电极7、连接线8以及压焊块9地方的光刻胶；
3）在衬底13上通过蒸发方式生长钛/铂/金/钛，其厚度共为0.44μm；
4）将步骤2）留下的光刻胶去除，连带去除了光刻胶上面的钛/铂/金/钛，初步形成CPW1、连接线8和压焊块9，以及完全形成平面螺旋电感的下层通道3、MEMS可变平行板电容5的下极板、MIM电容11的下极板和驱动电极7；
5）淀积并光刻Si3N4绝缘介质层12：在步骤4）得到的砷化镓衬底13上，通过等离子体增强型化学气相淀积工艺生长一层
厚的Si3N4绝缘介质层12，光刻Si3N4绝缘介质层12，保留在平面螺旋电感的下层通道3、MEMS可变平行板电容5的下极板、MIM电容11的下极板、MEMS固支梁6下方的CPW信号线和驱动电极7以及连接线8上的Si3N4绝缘介质层12；
6）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在前面步骤处理得到的砷化镓衬底13上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留平面螺旋电感的线圈4、MEMS悬臂梁6和空气桥10下方的聚酰亚胺牺牲层；
7）通过蒸发方式生长用于电镀的底金：蒸发钛/金/钛，作为底金，其厚度为
8）在步骤7）得到的砷化镓衬底13上涂覆光刻胶，去除预备制作CPW1、平面螺旋电感的线圈4、MEMS悬臂梁6、空气桥10、MIM电容11的上极板、连接线8和压焊块9地方的光刻胶；
9）电镀一层金，其厚度为2μm；
10）去除步骤8）中留下的光刻胶；
11）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW1、平面螺旋电感的线圈4、MEMS悬臂梁6、空气桥10、MIM电容11的上极板、连接线8和压焊块9；
12）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除平面螺旋电感的线圈4、MEMS悬臂梁6和空气桥10下方的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。
区分是否为该结构的标准如下：
1）采用水平放置的CPW1实现微波信号的传输以及电感和电容元件的电连接；
2）采用一个平面螺旋电感2、两个相同的MEMS可变平行板电容5和两个相同的MIM电容11；
3）通过将两个并联连接到CPW信号线和地线之间的MEMS可变平行板电容5以及两个串联连接到CPW信号线的MIM电容11依次对称放置在平面螺旋电感2的左右两侧；
4）MEMS可变平行板电容5基于静电原理实现了不同的电容大小，它的上极板为MEMS悬臂梁6而下极板为CPW信号线；
5）MEMS悬臂梁6横跨在CPW信号线上且其一端通过锚区固定在CPW地线上而另一端处于自由状态，在MEMS悬臂梁6下方CPW信号线的附近放置一个驱动电极7，该驱动电极7通过连接线8与CPW地线外侧的压焊块9相连接；
6）在MEMS悬臂梁下方的CPW信号线和驱动电极上覆盖Si3N4绝缘介质层；
满足以上条件的结构即视为本发明的微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器。
Claims (4)
1.一种微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器，其特征在于：在砷化镓衬底（13）上设有水平放置的共面波导（1）、一个平面螺旋电感（2）、平面螺旋电感的下层通道（3）、平面螺旋电感的线圈（4）、两个MEMS可变平行板电容（5）、MEMS悬臂梁（6）、驱动电极（7）、连接线（8）、压焊块（9）、空气桥（10）、两个MIM电容（11）以及Si3N4绝缘介质层（12）；共面波导（1）的中间为共面波导信号线，共面波导信号线的两侧为共面波导地线；其中，平面螺旋电感（2）位于砷化镓衬底（13）上表面的中央，两个并联连接到共面波导信号线和地线之间的MEMS可变平行板电容（5）以及两个串联连接到共面波导信号线上的MIM电容（11）依次对称放置在平面螺旋电感（2）的左右两侧，从而构成具有带通特性的π型拓扑结构；平面螺旋电感（2）包括平面螺旋电感的下层通道（3）和线圈（4）两部分；MEMS可变平行板电容（5）基于静电原理实现了不同的电容大小，它的上极板为MEMS悬臂梁（6）而下极板为共面波导信号线，其中MEMS悬臂梁（6）横跨在共面波导信号线上，在MEMS悬臂梁（6）下方共面波导信号线的附近放置一个驱动电极（7），该驱动电极（7）通过连接线（8）与共面波导信号线两侧的地线外侧的压焊块（9）相连接；被连接线（8）分开的共面波导地线通过空气桥（10）形成互连，其中在空气桥（10）下方的连接线（8）上覆盖Si3N4绝缘介质层（12）；从而通过在MEMS悬臂梁（6）和相应的驱动电极（7）之间连续施加不同的驱动电压，则连续降低了MEMS悬臂梁（6）的高度，引起了MEMS可变平行板电容大小的连续增大，实现了该可重构微波带通滤波器的中心频率和带宽的连续调谐。
2.根据权利要求1所述的微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器，其特征在于：两个MEMS可变平行板电容（5）是相同的；两个MIM电容（11）是相同的。
3.根据权利要求1所述的微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器，其特征在于：平面螺旋电感的线圈（4）悬浮于砷化镓衬底（13）之上，而下层通道（3）位于砷化镓衬底（13）上；平面螺旋电感的线圈（4）的外部接头与共面波导信号线相连接而其内部接头与下层通道（3）相连接；下层通道（3）的另一端与共面波导信号线相连接；在电感线圈（4）下方的下层通道（3）上覆盖Si3N4绝缘介质层（12）。
4.根据权利要求1所述的微机械悬臂梁式π型连续可重构微波带通滤波器，其特征在于：所述MEMS悬臂梁（6）的一端通过锚区固定在共面波导地线上而另一端处于自由状态；在MEMS悬臂梁（6）下方共面波导信号线和驱动电极（7）上覆盖Si3N4绝缘介质层（12）。
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