CN104821799A - 一种压电式双方块级联微机械滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于射频通信及微机电系统(MEMS)技术领域中的原器件技术领域，提供一种压电式双方块级联微机械滤波器，包括两块相同尺寸的振动方块、耦合梁、支撑梁、支撑台、输入电极、输出电极、直流偏置电极、压电薄膜层及绝缘基底，两块振动方块通过耦合梁连接、同时通过固定于振动方块另一侧边中点的支撑梁与支撑台连接、架空设置于绝缘基底上，振动方块上分别覆盖一层压电薄膜；输入电极和输出电极分别设置在压电薄膜上；一对直流偏置电极包围两块振动方块，与振动方块构成电容结构。本发明采用压电结构，并且通过两个谐振方块的耦合构成滤波器，以达到结构简单紧凑，降低加工工艺难度，耦合效率高，Q值高，具有更好的锐截止等目的。

Description

一种压电式双方块级联微机械滤波器
技术领域
本发明属于射频通信及微机电系统(MEMS)技术领域中的元器件技术领域，特别涉及一种由两个完全相同的压电式的微机械谐振器耦合而成的微机械滤波器。
背景技术
随着电子设备对高性能、微小型化的进一步要求，电子元器件都在向高性能、低成本、低功耗的方向发展。高Q值，小型化的谐振器、滤波器成为未来电子通信系统片上化和小型化的瓶颈。射频微机电滤波器是一种使用MEMS技术制作的基于机械振动的高性能射频滤波器件，输入的电学信号通过机电耦合转化为机械振动，滤波功能在机械域完成，之后再将机械信号转化为电学信号输出，因而具有非常好的频率选择特性。射频微机械滤波器具有MEMS器件所特有的功耗低，体积小，可大批量生产和使用的优点。同时射频微机电滤波器的制作工艺与IC兼容，因而有望取代传统的高性能分立器件，提高无线通信系统的集成度，使无线通信系统向小型化、低成本、和高集成度方向进一步发展，因而射频微机电滤波器具有很高的科研价值和研究意义。
目前，己研究出多种微型机械式滤波器，按照工作原理可分为电容式滤波器、压电式滤波器。电容式滤波器通过机械谐振结构与电极之间形成电容，通过静电力来驱动机械谐振结构的振动，目前已经研究有多种电容式微机械滤波器，如固支梁、自由梁耦合而成的梁式滤波器等电容式滤波器。压电式滤波器由输入电极将电压加载于压电薄膜上，通过逆压电效应使压电薄膜产生机械振动，将电信号转换为机械信号，然后通过压电效应将机械信号转化为电信号，经输出电极输出。因此电容式的滤波器由于要构成电容结构，使其结构相较于压电式滤波器更为复杂，加工过程更加复杂困难。同时电容式滤波器必需要加载直流偏置才能工作，能量转换的效率比压电滤波器更低。目前对于压电式滤波器的研究还不是特别地成熟，已研究出的压电式滤波器的种类比较少，并且压电式滤波器的带宽都比较窄，对于滤波器中心频率和带宽的调节都不是很灵活。因此，对于压电滤波器需要进一步的研究。
发明内容
本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷，设计了一种压电式双方块级联微机械滤波器，采用压电结构，并且通过两个谐振方块的耦合构成滤波器，以达到结构简单紧凑，降低加工工艺难度，耦合效率高，Q值高，具有更好的锐截止等目的。
本发明采用的技术方案为：一种压电式双方块级联微机械滤波器，包括两块相同尺寸的振动方块、耦合梁、支撑梁、支撑台、输入电极、输出电极、直流偏置电极、压电薄膜层及绝缘基底，两块振动方块通过设置在方块侧边中点的耦合梁连接、同时通过固定于振动方块另一侧边中点的支撑梁与支撑台连接、架空设置于绝缘基底上，振动方块上分别覆盖一层压电薄膜，输入电极和输出电极分别设置在压电薄膜上，输入电极和输出电极分别和与之相连的压电薄膜、振动方块构成方块谐振器；一对直流偏置电极包围两块振动方块，与振动方块构成电容结构。
进一步的，所述输入、输出电极分别通过金属走线与外部互连金属端连接导通，金属走线对应设置在支撑梁上、外部互连金属端对应设置在支撑台上，金属走线和外部互连金属端与支撑梁和支撑台之间还设有绝缘层、不形成直接接触。
进一步的，所述输入电极和输出电极为覆盖振动方块对角线区域的一对金属电极，两侧金属电极为对称或反对称。
进一步的，所述两块相同尺寸的振动方块的振动模态为两个反相方块剪切振动模态。
更进一步的，所述振动方块的尺寸根据滤波器中心频率确定，其关系式为：
      其中，f0为中心频率，L为振动方块边上，ρ为振动方块材料密度，G为振动方块材料的剪切模量，n为谐振模态阶数(对于基模的剪切模态，n＝1)。
还需要说明的是，从上述表达式中可以看出本发明提供滤波器的中心频率和带宽在实际应用时可以进行调节。调节振动方块的尺寸可以改变滤波器的中心频率，振动方块的尺寸越大，其谐振频率越小，滤波器的中心频率越小；另外通过调节耦合梁的位置和尺寸，也可以改变滤波器的带宽，耦合梁越短，滤波器的带宽越大；在振动模态不发生改变的情况下，耦合梁的位置越偏离振动方块的侧边中点，滤波器的带宽越大。因此滤波器的设计灵活，在允许的范围内可以设计不同中心频率和带宽的滤波器。
本发明中的方块式谐振器为压电式谐振器，通过逆压电效应和压电效应实现输入输出能量的转换，使滤波器的整体结构更加简单紧凑，利于加工，并且压电式的方块谐振器可以实现更高的Q值，具有更好的锐截止性能。另外，直流偏置电极为一对包围振动方块的单晶硅，与振动方块结构位于同一层，与振动方块间留有缝隙，将直流偏置电压加载于偏置电极上，可以对振动方块产生一定的侧向的静电力，该静电力会使谐振块出于挤压或拉伸状态，影响振动方块的谐振频率，从而改变滤波器的中心频率，因此可以在器件使用过程中通过调节直流偏置电压的大小来动态调节滤波器的工作中心频率。
本发明采用两个完全相同的方块式谐振器通过耦合梁耦合而构成一种压电式双方块级联微机械滤波器，方块式谐振器采用压电结构，使结构简化紧凑，降低工艺难度，利于加工；并且利用了两个振动方块的两种反相方块剪切振动模态来增加滤波器的带宽；同时该滤波器耦合效率高，Q值高，具有更好的锐截止性能。
附图说明
图1为本发明滤波器结构示意图(俯视图)；
图2为图1的A-A剖视图；
图3为图1的B-B剖视图；
图4为两个振动方块的反相振动模态图；
图5为两个振动方块的同相振动模态图；
图中：1-1、1-2：振动方块，2：耦合梁，3-1、3-2：支撑梁，4-1、4-2：压电薄膜，5-1：输入端压电换能器上电极，5-2：输出端压电换能器上电极，6-1、6-2：金属连接走线，7-1、7-2：外部互连金属端，8-1、8-2：直流偏置电极，9-1、9-2：偏置电极与振动方块间缝隙，10-1、10-2：支撑台，11-1、11-2：二氧化硅绝缘层，12-1、12-2：基片二氧化硅绝缘层，13：基片二氧化硅绝缘层内腔，14：绝缘基底，15：基底内腔。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例采用SOI基片制作滤波器，该SOI基片由较厚的多晶硅基底，1μm的二氧化硅绝缘层和10μm的单晶硅结构层组成。
压电式双方块级联微机械滤波器结构如图1所示，滤波器制作时：
首先在SOI基片的单晶硅上生长一层二氧化硅绝缘层，涂抹光刻胶光刻后用反应离子刻蚀得到覆盖于支撑梁与支撑台上的二氧化硅层11-1、11-2；然后利用反应溅射得到压电薄膜，再利用湿法刻蚀得到覆盖于振动方块上的压电薄膜层4-1、4-2；
再然后利用反应溅射得到金属薄膜，刻蚀得到分别对应于压电薄膜层上的输入换能器上电极5-1和输出换能器上电极5-2；金属连接走线7-1、7-2，对应于支撑梁位置二氧化硅层11-1、11-2上；外部互连金属区域8-1、8-2，对应于支撑台位置二氧化硅层11-1、11-2上；
再然后利用反应离子硅深刻蚀技术在10μm的单晶硅上刻蚀出振动方块1-1、1-2，耦合梁2，形成偏置电极与振动方块间缝隙10-1、10-2；振动方块1-1、1-2，耦合梁2和支撑台10-1、10-2连成一体；
最后利用反应离子硅深刻蚀技术从底部将多晶硅基底14刻蚀出基底内腔15，将基片二氧化硅绝缘层12-1、12-2刻蚀出基片二氧化硅层内腔13，使整个结构悬空，最后经封装即成。制备得本发明压电式双方块级联微机械滤波器。

Claims (5)

1.一种压电式双方块级联微机械滤波器，包括两块相同尺寸的振动方块、耦合梁、支撑梁、支撑台、输入电极、输出电极、直流偏置电极、压电薄膜层及绝缘基底，两块振动方块通过设置在方块侧边中点的耦合梁连接、同时通过固定于振动方块另一侧边中点的支撑梁与支撑台连接、架空设置于绝缘基底上，振动方块上分别覆盖一层压电薄膜，输入电极和输出电极分别设置在压电薄膜上，输入电极和输出电极分别和与之相连的压电薄膜、振动方块构成方块谐振器；一对直流偏置电极包围两块振动方块，与振动方块构成电容结构。
2.按权利要求1所述压电式双方块级联微机械滤波器，其特征在于，所述输入、输出电极分别通过金属走线与外部互连金属端连接导通，金属走线对应设置在支撑梁上、外部互连金属端对应设置在支撑台上，金属走线和外部互连金属端与支撑梁和支撑台之间还设有绝缘层、不形成直接接触。
3.按权利要求1所述压电式双方块级联微机械滤波器，其特征在于，所述输入电极和输出电极为覆盖振动方块对角线区域的一对金属电极，两侧金属电极为对称或反对称。
4.按权利要求1所述压电式双方块级联微机械滤波器，其特征在于，所述两块相同尺寸的振动方块的振动模态为两个反相方块剪切振动模态。
5.按权利要求1所述压电式双方块级联微机械滤波器，其特征在于，所述振动方块的尺寸根据滤波器中心频率确定，其关系式为：
其中，f0为中心频率，L为振动方块边上，ρ为振动方块材料密度，G为振动方块材料的剪切模量，n为谐振模态阶数。
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