CN105763166A - 一种柔性射频应变可调无源低通滤波器及制造和测量方法 - Google Patents
一种柔性射频应变可调无源低通滤波器及制造和测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种柔性射频应变可调无源低通滤波器及制造和测量方法，在衬底的上端面分别设置有螺旋电感中心电极和MIM电容底层金属极板，在MIM电容底层金属极板上由下到上依次设置有MIM电容介质层和MIM电容上层金属极板，衬底上设置有SU_8绝缘层，螺旋电感通孔、上层金属极板通孔、下层金属极板通孔，SU_8绝缘层上端面分别设置有：螺旋电感输出端、MIM电容输入端、MIM电容输出端、地线、滤波器输出端、螺旋电感输入端和滤波器输入端。本发明利用柔性电容和电感在弯曲应变下电容值和电感值的变化，使无源滤波器的截止频率和S参数发生变化。本发明结构简单，调谐简便，调谐范围较窄，灵敏度高，节省了调谐的成本，并且有很少的寄生效应。
Description
技术领域
本发明涉及一种低通滤波器。特别是涉及一种通过柔性器件的应变调节滤波频率大小的柔性射频应变可调无源低通滤波器及制造和测量方法。
背景技术
随着柔性电子的不断发展，柔性器件和电路的工作频率也越来越高，达到射频级别。各种低频的干扰信号越来越多，这需要低通滤波器来分离有用信号和干扰信号，对特定频率的信号进行选择并滤除。
目前，在射频器件与集成电路领域中主要是通过可变电容组成可调谐无源低通滤波器。这种可调无源滤波器具有结构比较复杂，寄生效应大等缺点。而MEMS可调滤波器由于品质系数高，易于集成等特点在现阶段得到了极大的发展，但还是没有摆脱结构复杂和寄生效应多等缺点。因此已有的主要的可调低通无源滤波器有比较差的抗干扰能力和灵敏度。而在柔性射频集成电路领域还没有可应用的可调滤波器，专利CN203811124U中提出了一种通过晶体管在不同应变下的S参数的变化设计的柔性射频应变传感器。此传感器说明柔性器件在不同的应变条件下会导致S参数的变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种结构简单，灵敏度高，并且有很少的寄生效应，可应用在柔性射频领域的柔性射频应变可调无源低通滤波器及制造和测量方法
本发明所采用的技术方案是：一种柔性射频应变可调无源低通滤波器，包括衬底，在所述的衬底的上端面分别设置有螺旋电感中心电极和MIM电容底层金属极板，在所述的MIM电容底层金属极板上由下到上依次设置有MIM电容介质层和MIM电容上层金属极板，所述的衬底上还设置有将所述螺旋电感中心电极、MIM电容底层金属极板、MIM电容介质层和MIM电容上层金属极板全部覆盖在内部的SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层，所述的SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层内还形成有使螺旋电感中心电极板与所述SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层上端面相连的螺旋电感通孔，使MIM电容上层金属极板与所述SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层上端面相连的上层金属极板通孔，以及使MIM电容底层金属极板与所述SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层上端面相连的下层金属极板通孔，所述SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层上端面分别设置有：与所述的螺旋电感通孔相连的螺旋电感输出端，与所述的上层金属极板通孔相连的MIM电容输入端，与所述的下层金属极板通孔相连的MIM电容输出端，以及地线、滤波器输出端、螺旋电感输入端和滤波器输入端，其中，所述的螺旋电感输出端和螺旋电感输入端之间为螺旋电感，所述的螺旋电感输出端分别通过互连线连接滤波器输出端和MIM电容输入端，所述MIM电容输出端通过互连线连接地线，所述螺旋电感输入端通过互连线连接滤波器输入端。
所述的螺旋电感通孔、上层金属极板通孔和下层金属极板通孔内均由下至上依次设置有起导电作用的Ti和Au。
一种柔性射频应变可调无源低通滤波器的制造方法，包括如下步骤：
1)制作衬底：选用PET，用氢氟酸和等离子水清洗后作为衬底；
2)在衬底上分别制作螺旋电感中心电极板和MIM电容底层金属极板；
3)在MIM电容底层金属极板上淀积SiO层作为MIM电容介质层；
4)MIM电容介质层上淀积MIM电容上层金属极板；
5)在具有螺旋电感中心电极板、MIM电容底层金属极板、MIM电容介质层和MIM电容上层金属极板的衬底上制作SU_8绝缘层。
6)在SU_8绝缘层的上端面分别形成螺旋电感输出端和螺旋电感输入端、MIM电容输入端和MIM电容输出端、滤波器输入端、滤波器输出端、地线以及互连线，最后形成柔性射频应变可调无源低通滤波器。
步骤2)包括：在衬底上均匀旋涂一层光刻胶，用螺旋电感中心电极和MIM电容底层金属极板的掩模板对光刻胶进行光刻，并依次采用真空电子束蒸发淀积厚度为30nm的Ti和400nm的Au形成螺旋电感中心电极和MIM电容底层金属极板，作为螺旋电感中心电极和MIM电容底层金属极板，然后用丙酮溶液和超声发生器剥离螺旋电感中心电极和MIM电容底层金属极板以外的金属层。
步骤3)包括：在MIM电容底层金属极板上均匀旋涂一层光刻胶，采用MIM电容介质层的掩模板对光刻胶进行光刻，并采用真空电子束蒸发淀积形成200nm厚度的SiO层，构成MIM电容的中间介质层。
步骤4)包括：在MIM电容介质层均匀旋涂一层光刻胶，采用MIM电容的上层金属极板掩模板对光刻胶进行光刻，并依次采用真空电子束蒸发淀积30nm的Ti和400nm的Au形成MIM电容上层金属极板，作为MIM电容的上层电极，然后用丙酮溶液和超声发生器对SiO层和MIM电容上层金属极板一起进行剥离。
步骤5)包括：在具有螺旋电感中心电极、MIM电容底层金属极板、MIM电容介质层和MIM电容上层金属极板的衬底上均匀地旋涂一层1.0～1.5um厚度的SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层，将SU_8绝缘层作为螺旋电感低介电常数的中间绝缘层进行光刻形成螺旋电感通孔，将SU_8绝缘层作为MIM电容的屏蔽层进行光刻分别形成MIM电容的上层金属极板通孔和下层金属极板通孔，然后对SU_8绝缘层进行硬烘焙。
步骤6)包括：在SU_8绝缘层的上端面均匀地旋涂一层光刻胶，采用顶端金属结构掩模板对光刻胶进行光刻，并采用真空电子束蒸发淀积厚度为30nm的Ti和1.5um的Au分别形成螺旋电感输出端和螺旋电感输入端、MIM电容输入端和MIM电容输出端、滤波器输入端、滤波器输出端、地线以及互连线，然后用丙酮溶液和超声发生器进行对光刻胶进行剥离，最后形成柔性射频应变可调无源低通滤波器。
一种柔性射频应变可调无源低通滤波器的测量方法，将柔性射频应变可调无源低通滤波器的滤波器输出端、滤波器输入端和地线分别通过射频电缆连接网络分析仪的相应端，通过外部载荷对柔性射频应变可调无源低通滤波器施加不同的载荷，用来产生不同曲率半径的形变，通过扫频的方式对柔性射频应变可调无源低通滤波器进行S参数的测量，进而得到根据S参数和滤波器的截止频率与弯曲应变之间的关系。
本发明的一种柔性射频应变可调无源低通滤波器及制造和测量方法，利用柔性电容和电感在弯曲应变下电容值和电感值的变化，使无源滤波器的截止频率和S参数发生变化，从而形成通过机械应变而可调的无源低通滤波器。本发明结构简单，调谐简便，调谐范围较窄，灵敏度高，节省了调谐的成本，并且有很少的寄生效应，可应用在柔性射频领域。
附图说明
图1是本发明柔性射频应变可调无源低通滤波器的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明柔性射频应变可调无源低通滤波器的测量示意图。
图中
1：衬底2：SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层
3a：螺旋电感中心电极3b：MIM电容底层金属极板
4：MIM电容介质层5：MIM电容上层金属极板
61：螺旋电感通孔62：上层金属极板通孔
63：下层金属极板通孔7：螺旋电感输出端
8：MIM电容输入端9：MIM电容输出端
10：地线11：滤波器输出端
12：螺旋电感输入端13：滤波器输入端
14：互连线15：螺旋电感
16：射频电缆17：柔性射频应变可调无源低通滤波器
18：网络分析仪19：外部载荷
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种柔性射频应变可调无源低通滤波器及制造和测量方法做出详细说明。
本发明的一种柔性射频应变可调无源低通滤波器，将滤波器制造在柔性衬底上，滤波器的主体由一组电容和电感构成，电容采用金属-绝缘层-金属结构，电感采用螺旋结构，例如八角螺旋结构和方形螺旋结构。电容和电感通过金属线互联并与地线连接，用于测试的输入输出端也用此层金属线连接。其主要工作原理是电容通高频阻低频，电感通低频阻高频，电容和电感连接一起可以实现低通滤波的功能。对于需要的低频，利用电容高阻、电感低阻的方法不使它通过，对于需要的高频，利用电容低阻、电感高阻的特点使它通过。采用扫频输入方法，并对柔性无源低通滤波器加以不同的载荷，进而测量出不同的载荷弯曲下的低通滤波器的散射参数和截止频率的变化，建立机械应变与柔性低通滤波器截止频率之间的对应关系，从而实现柔性低通滤波器的机械应变的可调谐。
如图1、图2所示，本发明的一种柔性射频应变可调无源低通滤波器，包括衬底1，在所述的衬底1的上端面分别设置有螺旋电感中心电极3a和MIM电容底层金属极板3b，所述的MIM电容底层金属极板3b上由下到上依次设置有MIM电容介质层4和MIM电容上层金属极板5，所述的衬底1上还设置有将所述螺旋电感中心电极3a、MIM电容底层金属极板3b、MIM电容介质层4和MIM电容上层金属极板5全部覆盖在内部的SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层2，所述的SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层2内还形成有使螺旋电感中心电极3a与所述SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层2上端面相连的螺旋电感通孔61，使MIM电容上层金属极板与所述SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层2上端面相连的上层金属极板通孔62，以及使MIM电容底层金属极板3b与所述SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层2上端面相连的下层金属极板通孔63，所述SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层2上端面分别设置有：与所述的螺旋电感通孔61相连的螺旋电感输出端7，与所述的上层金属极板通孔62相连的MIM电容输入端8，与所述的下层金属极板通孔63相连的MIM电容输出端9，以及地线10、滤波器输出端11、螺旋电感输入端12和滤波器输入端13，其中，所述的螺旋电感输出端7和螺旋电感输入端12之间为螺旋电感15，所述的螺旋电感输出端7分别通过互连线14连接滤波器输出端11和MIM电容输入端8，所述MIM电容输出端9通过互连线14连接地线10，所述螺旋电感输入端12通过互连线14连接滤波器输入端13。
所述的螺旋电感通孔61、上层金属极板通孔62和下层金属极板通孔63内均由下至上依次设置有起导电作用的Ti和Au。
本发明的一种柔性射频应变可调无源低通滤波器的制造方法，包括如下步骤：
1)制作衬底：选用PET，用氢氟酸和等离子水(DI)清洗后作为衬底1；
2)在衬底1均匀旋涂一层光刻胶，用螺旋电感中心电极和MIM电容底层金属极板的掩模板对光刻胶进行光刻，并依次采用真空电子束蒸发淀积厚度为30nm的Ti和400nm的Au形成螺旋电感中心电极和MIM电容底层金属极板，作为螺旋电感中心电极3a和MIM电容底层金属极板3b，然后用丙酮溶液和超声发生器剥离螺旋电感中心电极3a和MIM电容底层金属极板3b以外的金属层；
3)在MIM电容底层金属极板3b上淀积SiO层作为MIM电容介质层4；包括：在MIM电容底层金属极板3b上均匀旋涂一层光刻胶，采用MIM电容介质层的掩模板对光刻胶进行光刻，并采用真空电子束蒸发淀积形成200nm厚度的SiO层，构成MIM电容的中间介质层；
4)在MIM电容介质层4均匀旋涂一层光刻胶，采用MIM电容的上层金属极板掩模板对光刻胶进行光刻，并依次采用真空电子束蒸发淀积30nm的Ti和400nm的Au形成MIM电容上层金属极板5，作为MIM电容的上层电极，然后用丙酮溶液和超声发生器对SiO层和MIM电容上层金属极板5一起进行剥离；
5)在具有螺旋电感中心电极3a、MIM电容底层金属极板3b、MIM电容介质层4和MIM电容上层金属极板5的衬底上均匀地旋涂一层1.0～1.5um厚度的SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层2，将SU_8绝缘层2作为螺旋电感低介电常数的中间绝缘层进行光刻形成螺旋电感通孔61，将SU_8绝缘层2作为MIM电容的屏蔽层进行光刻分别形成MIM电容的上层金属极板通孔62和下层金属极板通孔63，然后对SU_8绝缘层2进行硬烘焙；
6)在SU_8绝缘层2的上端面均匀地旋涂一层光刻胶，采用顶端金属结构掩模板对光刻胶进行光刻，并采用真空电子束蒸发淀积厚度为30nm的Ti和1.5um的Au分别形成螺旋电感输出端7和螺旋电感输入端12、MIM电容输入端8和MIM电容输出端9、柔性射频应变可调无源低通滤波器输入端13、柔性射频应变可调无源低通滤波器输出端11、地线10以及互连线14，然后用丙酮溶液和超声发生器进行对光刻胶进行剥离，最后形成柔性射频应变可调无源低通滤波器15。
纵观实现本发明的柔性射频应变可调无源低通滤波器的工艺流程，其中没有包含特殊的材料也没有引进复杂特殊的工艺步骤，并且与其他的柔性微波射频器件的工艺相兼容。因此，应用本发明的柔性射频应变可调无源低通滤波器易于实现可弯曲、应变可调，低通滤波的特性。
如图3所示，本发明的一种柔性射频应变可调无源低通滤波器的测量方法，包括：将柔性射频应变可调无源低通滤波器17的滤波器输出端11、滤波器输入端13和地线10分别通过射频电缆16连接网络分析仪18的相应端，通过外部载荷19对柔性射频应变可调无源低通滤波器17施加不同载荷的均匀应力使得滤波器各点弯曲度一致，通过调节弯曲半径的大小，用来产生不同曲率半径的形变，进而调节滤波器的滤波频率。通过扫频的方式对柔性射频应变可调无源低通滤波器进行S参数的测量，进而得到根据S参数和滤波器的截止频率与弯曲应变之间的关系。
Claims (9)
1.一种柔性射频应变可调无源低通滤波器，包括衬底(1)，其特征在于，在所述的衬底(1)的上端面分别设置有螺旋电感中心电极(3a)和MIM电容底层金属极板(3b)，在所述的MIM电容底层金属极板(3b)上由下到上依次设置有MIM电容介质层(4)和MIM电容上层金属极板(5)，所述的衬底(1)上还设置有将所述螺旋电感中心电极(3a)、MIM电容底层金属极板(3b)、MIM电容介质层(4)和MIM电容上层金属极板(5)全部覆盖在内部的SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层(2)，所述的SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层(2)内还形成有使螺旋电感中心电极板(3a)与所述SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层(2)上端面相连的螺旋电感通孔(61)，使MIM电容上层金属极板与所述SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层(2)上端面相连的上层金属极板通孔(62)，以及使MIM电容底层金属极板(3b)与所述SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层(2)上端面相连的下层金属极板通孔(63)，所述SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层(2)上端面分别设置有：与所述的螺旋电感通孔(61)相连的螺旋电感输出端(7)，与所述的上层金属极板通孔(62)相连的MIM电容输入端(8)，与所述的下层金属极板通孔(63)相连的MIM电容输出端(9)，以及地线(10)、滤波器输出端(11)、螺旋电感输入端(12)和滤波器输入端(13)，其中，所述的螺旋电感输出端(7)和螺旋电感输入端(12)之间为螺旋电感(15)，所述的螺旋电感输出端(7)分别通过互连线(14)连接滤波器输出端(11)和MIM电容输入端(8)，所述MIM电容输出端(9)通过互连线(14)连接地线(10)，所述螺旋电感输入端(12)通过互连线(14)连接滤波器输入端(13)。
2.根据权利要求1所述的柔性射频应变可调无源低通滤波器，其特征在于，所述的螺旋电感通孔(61)、上层金属极板通孔(62)和下层金属极板通孔(63)内均由下至上依次设置有起导电作用的Ti和Au。
3.一种权利要求1所述的一种柔性射频应变可调无源低通滤波器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制作衬底：选用PET，用氢氟酸和等离子水清洗后作为衬底(1)；
2)在衬底(1)上分别制作螺旋电感中心电极板(3a)和MIM电容底层金属极板(3b)；
3)在MIM电容底层金属极板(3b)上淀积SiO层作为MIM电容介质层(4)；
4)MIM电容介质层(4)上淀积MIM电容上层金属极板(5)；
5)在具有螺旋电感中心电极板(3a)、MIM电容底层金属极板(3b)、MIM电容介质层(4)和MIM电容上层金属极板(5)的衬底(1)上制作SU_8绝缘层(2)。
6)在SU_8绝缘层(2)的上端面分别形成螺旋电感输出端(7)和螺旋电感输入端(12)、MIM电容输入端(8)和MIM电容输出端(9)、滤波器输入端(13)、滤波器输出端(11)、地线(10)以及互连线(14)，最后形成柔性射频应变可调无源低通滤波器(15)。
4.根据权利要求3所述的柔性射频应变可调无源低通滤波器的制造方法，其特征在于，步骤2)包括：在衬底(1)上均匀旋涂一层光刻胶，用螺旋电感中心电极和MIM电容底层金属极板的掩模板对光刻胶进行光刻，并依次采用真空电子束蒸发淀积厚度为30nm的Ti和400nm的Au形成螺旋电感中心电极和MIM电容底层金属极板，作为螺旋电感中心电极(3a)和MIM电容底层金属极板(3b)，然后用丙酮溶液和超声发生器剥离螺旋电感中心电极(3a)和MIM电容底层金属极板(3b)以外的金属层。
5.根据权利要求3所述的柔性射频应变可调无源低通滤波器的制造方法，其特征在于，步骤3)包括：在MIM电容底层金属极板(3b)上均匀旋涂一层光刻胶，采用MIM电容介质层的掩模板对光刻胶进行光刻，并采用真空电子束蒸发淀积形成200nm厚度的SiO层，构成MIM电容的中间介质层。
6.根据权利要求3所述的柔性射频应变可调无源低通滤波器的制造方法，其特征在于，步骤4)包括：在MIM电容介质层(4)均匀旋涂一层光刻胶，采用MIM电容的上层金属极板掩模板对光刻胶进行光刻，并依次采用真空电子束蒸发淀积30nm的Ti和400nm的Au形成MIM电容上层金属极板(5)，作为MIM电容的上层电极，然后用丙酮溶液和超声发生器对SiO层和MIM电容上层金属极板(5)一起进行剥离。
7.根据权利要求3所述的柔性射频应变可调无源低通滤波器的制造方法，其特征在于，步骤5)包括：在具有螺旋电感中心电极(3a)、MIM电容底层金属极板(3b)、MIM电容介质层(4)和MIM电容上层金属极板(5)的衬底(1)上均匀地旋涂一层1.0～1.5um厚度的SU_8光刻胶构成SU_8绝缘层(2)，将SU_8绝缘层(2)作为螺旋电感低介电常数的中间绝缘层进行光刻形成螺旋电感通孔(61)，将SU_8绝缘层(2)作为MIM电容的屏蔽层进行光刻分别形成MIM电容的上层金属极板通孔(62)和下层金属极板通孔(63)，然后对SU_8绝缘层(2)进行硬烘焙。
8.根据权利要求3所述的柔性射频应变可调无源低通滤波器的制造方法，其特征在于，步骤6)包括：在SU_8绝缘层(2)的上端面均匀地旋涂一层光刻胶，采用顶端金属结构掩模板对光刻胶进行光刻，并采用真空电子束蒸发淀积厚度为30nm的Ti和1.5um的Au分别形成螺旋电感输出端(7)和螺旋电感输入端(12)、MIM电容输入端(8)和MIM电容输出端(9)、滤波器输入端(13)、滤波器输出端(11)、地线(10)以及互连线(14)，然后用丙酮溶液和超声发生器进行对光刻胶进行剥离，最后形成柔性射频应变可调无源低通滤波器(15)。
9.一种权利要求1所述的一种柔性射频应变可调无源低通滤波器的测量方法，其特征在于，将柔性射频应变可调无源低通滤波器(17)的滤波器输出端(11)、滤波器输入端(13)和地线(10)分别通过射频电缆(16)连接网络分析仪(18)的相应端，通过外部载荷(19)对柔性射频应变可调无源低通滤波器(17)施加不同的载荷，用来产生不同曲率半径的形变，通过扫频的方式对柔性射频应变可调无源低通滤波器进行S参数的测量，进而得到根据S参数和滤波器的截止频率与弯曲应变之间的关系。
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- 2016-04-25 CN CN201610263350.6A patent/CN105763166A/zh active Pending
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