CN104617360B - 频率可调的mems滤波器 - Google Patents
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Abstract
一种频率可调的MEMS滤波器，包括：多个谐振单元，该多个谐振单元通过振动位移节点处的支撑梁或者锚点支撑；多个耦合梁，该每一耦合梁的两端连接至相邻的谐振单元；多个电极，该多个电极位于谐振单元的周围，与谐振单元之间有一间隙。本发明能够适用于具有多种频带选择功能的收发系统射频前端，满足未来无线通信系统对多频带、多功能、多模式的应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及射频微机电(RF MEMS)技术领域，更特别地，本发明涉及射频微机械谐振器件，特别是一种频率可调的MEMS滤波器。
背景技术
在现在的无线通信系统应用中，滤波器作为主要的组件之一，起着至关重要的作用，它在信号的传输过程中，通过自身的频率特性对传输信号进行必要的选择、滤除处理，以得到所需的频段信号，同时避免其它频段的信号以及外界信号的干扰。目前广泛采用的滤波器件包括石英晶体、陶瓷滤波器、表面声波(SAW)滤波器以及现在的体声波(FBAR)滤波器，它们虽然可以达到RF和IF滤波器所需的高Q值(500-10000)，但是它们都是片外(off-chip)分立元件，不能与IC电路集成，不利于通信系统的小型化和成本的降低，而MEMS滤波器由于具有小尺寸、低成本、低功耗、高Q值、高线性度、与IC工艺集成等优点，被认为是取代传统片外分立元件最好的选择之一，这可以大大提高系统的集成度，实现系统的小型化、便携化和降低系统的成本。
为了满足未来无线通信系统对多频带、多功能、多模式的应用需求，需要收发系统的射频前端具有多种频带灵活选择的功能，以适应不同的应用标准，这就需要具有多种不同频率特性的滤波器组件。利用MEMS器件的小尺寸以及集成特性，通常将多个不同频率特性的滤波器集成在单一芯片上，并利用开关实现单一滤波器之间的切换以满足不同的通信标准，但是这种方法需要将大量的高选择性的滤波器并行连接，不仅会增大器件的寄生效应，降低器件性能，而且不利于系统的进一步小型化和成本的降低。另外，通过将将多个不同频率的滤波器并联构成多阶滤波器，利用滤波器单元自身的自开关特性，实现滤波器单元之间的不同并联组合，从而实现不同的频带输出，但是这种方法也需要多个滤波器的并联组合。为了实现灵活的多频带选择功能，减少多频带系统的复杂性，本发明提出了一种新型的频率可调的MEMS滤波器，可以实现不同的中心频率和带宽，可以降低通信系统的复杂性，提高系统的集成度，从而进一步降低系统成本。
本发明提出的MEMS滤波器是利用多个MEMS谐振器来实现的，利用MEMS谐振器的高频、高Q特性，实现滤波器的高选择性和低功耗，通过将多个MEMS谐振器进行机械耦合，并对每个耦合谐振器施加不同的偏置信号，激励滤波器的不同振动模态，获得滤波器不同的中心频率和带宽。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提出一种频率可调的MEMS滤波器，该结构能够适用于具有多种频带选择功能的收发系统射频前端，满足未来无线通信系统对多频带、多功能、多模式的应用需求。
为达到上述目的，本发明提出了一种频率可调的MEMS滤波器，包括：
多个谐振单元，该多个谐振单元通过振动位移节点处的支撑梁或者锚点支撑；多个耦合梁，该每一耦合梁的两端连接至相邻的谐振单元；
多个电极，该多个电极位于谐振单元的周围，与谐振单元之间有一间隙。
从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是：
1、本发明提出的一种实现多频带输出的方法，通过对谐振单元周围的电极施加不同的偏置信号，使谐振单元1组产生不同的相位组合，激励滤波器的不同振动模态，从而使滤波器实现不同的中心频率和带宽。
2、本发明提出的一种频率可调的MEMS滤波器，用单个器件实现了不同的中心频率和带宽，不仅满足未来无线通信系统的多频带应用需求，大幅降低通信系统的复杂性、体积和成本，而且易于大规模制造以及与IC电路集成，可大大提升系统的集成度和性能。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例及附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1(a)为本发明提供的频率可调的MEMS滤波器；
图1(b)为本发明提供的频率可调的MEMS滤波器的四阶振动模态均受激励时的频谱输出示意图；
图2(a)为本发明提供的频率可调的MEMS滤波器的一阶振动模态示意图；
图2(b)为仅有图2(a)所示振动模态受激励时的频谱输出示意图；
图3(a)为本发明提供的频率可调的MEMS滤波器的二阶振动模态示意图；
图3(b)为仅有图3(a)所示振动模态受激励时的频谱输出示意图；
图4(a)为本发明提供的频率可调的MEMS滤波器的三阶振动模态示意图；
图4(b)为仅有图4(a)所示振动模态受激励时的频谱输出示意图；
图5(a)为本发明提供的频率可调的MEMS滤波器的四阶振动模态示意图；
图5(b)为仅有图5(a)所示振动模态受激励时的频谱输出示意图；
图6为MEMS滤波器的三阶和四阶振动模态均被激励时的频谱输出示意图；
图7为MEMS滤波器的二阶、三阶、四阶振动模态均被激励时的频谱输出示意图。
具体实施方式
本发明提供一种频率可调的MEMS滤波器，如图1(a)所示，具体包括：
多个谐振单元1，该谐振单元1的材料为硅基材料、压电材料或蓝宝石，各谐振单元1材料和几何尺寸相同，该多个谐振单元1通过振动位移节点处的支撑梁或者锚点5支撑；多个耦合梁4，该每一耦合梁4的两端连接至相邻的谐振单元1，耦合梁4与谐振单元1的材料可以相同或者不同，通过耦合梁4对谐振单元1的耦合作用，使谐振单元1组产生多阶振动模态，其中各谐振单元1工作于同一模态，相邻谐振单元1的振动相位可以同相或者反相，每种振动相位组合对应滤波器的一阶振动模态，振动模态的个数与谐振单元1的个数相等，多个振动模态共同构成了滤波器的通频带，滤波器的中心频率位于最高频率振动模态与最低频率振动模态之间；
多个电极2，该多个电极2位于谐振单元1的周围，与谐振单元1之间有一间隙3，其中电极2和谐振单元1之间的间隙3为空气填充或者固态介质填充，所述电极2材料为金属或掺杂半导体材料。本发明通过对各谐振单元1周围的电极2施加不同的偏置信号，使谐振单元1组产生不同的相位组合，以激励滤波器的不同振动模态，从而实现不同的中心频率和带宽。
下面以圆盘形MEMS谐振器通过机械耦合形成的MEMS滤波器为例详细介绍结构特征，如图2(a)、图3(a)、图4(a)、图5(a)所示，分别为图1(a)所示滤波器结构工作在一阶、二阶、三阶、四阶振动模态时的振动模态示意图，其中虚线为滤波器静态时各谐振单元1的初始状态，实线为谐振时各谐振单元1的振动状态，具体包括：
四个圆盘形谐振单元1，其半径均为18um，谐振单元1工作在一阶径向伸缩的振动模态，该谐振单元1的材料为多晶硅，该谐振单元1由位于圆盘中心的位移节点处的锚点5支撑，相邻谐振单元之间通过一耦合梁4相连，其与谐振单元1为同一层材料制作形成，各谐振单元1周围包含多个电极2，位于各谐振单元的周围，每一谐振单元1周围的电极2互相独立，电极2与谐振单元1之间有一空气间隙3，各谐振单元1采用静电激励方式，对输入端谐振单元1周围的电极2同时施加直流偏置和交流信号，输入端谐振单元1产生面内径向振动，通过耦合梁4的机械耦合作用，在输出端谐振单元1的电极2检测到信号输出。
所述结构具有共四阶振动模态，不同振动模态下，相邻谐振单元1的振动相位为同相或者反相，每种振动相位组合对应滤波器的一阶振动模态，该四阶振动模态对应于滤波器通带内的四个不同的谐振峰f1、f2、f3、f4，该谐振峰构成了滤波器的通频带，如图1(b)所示，其中：
其中kr、mr分别为谐振单元的有效刚度和有效质量，ks为耦合梁的有效刚度。
通过设置不同的偏置条件，可以使得滤波器中的一阶或者多阶振动模态被激励或者抑制，从而输出不同的子带(阶数不大于四)，所输出的频带的种类与滤波器结构中的谐振单元1的个数有关，谐振单元1的个数越多，可采用的偏置调节方式越多，实现的频带的种类也越多。滤波器的中心频率由其中的谐振单元1的谐振频率决定，滤波器的带宽由耦合梁4的有效刚度以及谐振单元1在耦合位置的有效刚度决定。
谐振单元1周围的电极2互相独立，以分别对各谐振单元1施加偏置信号Vp1、Vp2、Vp3、Vp4，该滤波器结构在不同的偏置条件下，工作于不同的振动模态，对应不同的频带输出，如图2(b)、图3(b)、图4(b)、图5(b)所示。
当仅对其中一个谐振单元1施加偏置电压时，各谐振单元1之间的振动相位不受限制，此时滤波器的各阶振动模态均出现，输出频带包括f1、f2、f3、f4，其中心频率位于f1和f4之间，如图1(b)所示。
当Vp1=Vp2时，二阶、三阶、四阶振动模态被激励，此时滤波器输出频带包括f2、f3、f4，其中心频率位于f2和f4之间，如图6中实线所示。
当Vp1=Vp2=Vp3时，三阶和四阶振动模态被激励，此时滤波器输出频带包括f3、f4，其中心频率位于f3和f4之间，如图7中实线所示。
本发明是通过对单个滤波器中的多个谐振单元1周围的电极2施加不同的偏置信号，使各谐振单元1之间产生不同的振动相位组合，激励滤波器的不同振动模态，从而使单个滤波器实现多种不同的中心频率和带宽的频谱输出，以实现不同的频带选择功能，满足不同的应用标准。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种频率可调的MEMS滤波器，包括：
多个谐振单元，该多个谐振单元通过振动位移节点处的支撑梁或者锚点支撑；多个耦合梁，该每一耦合梁的两端连接至相邻的谐振单元；
多个电极，该多个电极分别位于每一谐振单元的周围，与每一谐振单元之间有一间隙；
通过对各谐振单元周围的电极施加不同的偏置信号，使谐振单元组产生不同的相位组合，以激励滤波器的不同振动模态，从而实现不同的中心频率和带宽。
2.根据权利要求1所述的频率可调的MEMS滤波器，其中谐振单元的材料为硅基材料、压电材料或蓝宝石，各谐振单元的材料和几何尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的频率可调的MEMS滤波器，其中该耦合梁与谐振单元的材料为相同或者不同，通过耦合梁对谐振单元的耦合作用，使谐振单元组产生多阶振动模态。
4.根据权利要求1所述的频率可调的MEMS滤波器，其中各谐振单元工作于同一模态，相邻谐振单元的振动相位为同相或者反相，每种相位组合对应滤波器的一阶振动模态，振动模态的阶数与谐振单元的个数相等，多阶振动模态构成了滤波器的通频带，滤波器的中心频率位于最高频率振动模态与最低频率振动模态之间。
5.根据权利要求1所述的频率可调的MEMS滤波器，其中该多个电极的材料为金属或掺杂半导体材料。
6.根据权利要求1所述的频率可调的MEMS滤波器，其中各电极和谐振单元之间的间隙为空气填充或者固态介质填充。
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