CN106252800A - 中心频率可调的基片集成波导滤波器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种中心频率可调的基片集成波导滤波器及其制作方法。本发明根据波导谐振频率的电调节的方法，利用在滤波器谐振腔内加载调谐导电柱，实现对谐振腔的谐振频率的扰动，并通过在顶部金属层上形成由导电膜桥形成的开关对多个调谐导电柱进行选通，从而实现了基片集成波导滤波器中心频率的调节。本发明可以大大的增加了滤波器的应用范围和可校准性。

Description

中心频率可调的基片集成波导滤波器及其制作方法

技术领域

本发明属于滤波器技术领域，具体涉及中心频率可调的基片集成波导滤波器及其制作方法。

背景技术

对于高频通讯系统应用，例如：5G通信的高频窗口，由于频率高达27GHz以上，传统的微带滤波器带内插损比较大，而基片集成波导(SIW)实现高频滤波器由于辐射损耗很小，所以其带内插损可以将控制在很小范围，很适合应用在小型化基站。

滤波器是射频系统中关键元件，由于工作的频率的增加，传统的微带滤波器由于损耗增大，很难满足现在射频系统的要求，所以基片集成波导正成为高频滤波器的首选。相比于在基板上实现基片集成波导滤波器形式，由于工程设计的方便和设计时间的需要，更需要希望直接用滤波器器件直接贴装的方法来直接实现滤波器的功能。传统的基片集成波导滤波器中心频率可以通过电调节和磁调节的方式来实现。

如公开号为CN104934662A的中国专利申请，其利用集成波导铁氧体的方式来实现中心频率可调滤波器，通过铁氧体改变波导滤波器内部的磁场，从而调节波导滤波器的中心频率。该方式的优点是结构简单，利于实现，可以简单的通过调节铁氧体的状态来改变磁场，从而调节中心频率。但其缺点是体积大，调谐的线性度差，而且没有制作外部电路，不是一个封装体，不利于加工制版。

公开号为CN105489987A的中国专利申请则是基于液晶材料的实现基片集成波导可调滤波器，通过在基片集成波导上表面金属层上刻蚀开口谐振环来实现带通滤波器，将基片集成波导上表面金属层倒置与液晶材料接触，利用馈电结构，形成基于液晶材料的基片集成波导可调滤波器。其优点是：利用液晶材料的介电常数与电场的关系，通过控制电压来实现中 心频率可调，而且液晶材料的密度低，质量轻，调节电压低更适合现代无线通信工程。但其缺点是：利用液晶材料封装可能面临液晶材料泄漏的问题。

中国发明专利申请CN104241738A则通过加载PIN管的基片集成波导可调滤波器，利用电压调节PIN二极管，通过加载电容的方式改变基片集成波导滤波器的中心频率。其优点是变容二极管的调节速度快，缺点是该

“一种基片集成波导可调滤波器的设计”(《电子元件与材料》第35卷第5期，2016.05，周建等人)设计了一种两腔SIW可调滤波器，它是基于多层异质腔体加载物理开关的可调滤波器结构，在滤波器腔体上将调谐柱阵列排布，再采用封装好的MEMS开关进行选通。其优点是设计的滤波器利用现成的RF MEMS开关加载到PCB基片上，设计和实现上省去了很多步骤，但其集成度不高，损耗大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是现有的基片集成波导滤波器的中心频率调节的集成度小，损耗大的问题，以及没有可以直接使用的中心频率27GHz低插入损耗的小型滤波器模块的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种中心频率可调的基片集成波导滤波器，所述滤波器包括谐振腔，谐振腔包括自下而上依次叠置的底层金属层、基板、中间金属层、介质层和顶层金属层，诸振腔的侧壁由多个贯通于顶层金属层与底层金属层的侧壁金属柱构成，且谐振腔内部具有多个贯通于中间金属层与底层金属层的金属连接柱，底层金属层的连接侧壁金属柱的部分与连接金属连接柱的部分相互间隔，所述谐振腔内部还具有调谐导电柱，所述调谐导电柱贯通于底层金属层和顶层多属层，但与中间金属层相互间隔；顶层多属层的连接调谐导电柱的部分与连接侧壁导电柱的部分相互间隔；底层金属层的连接调谐导电柱的部分与连接金属连接柱的部分相互间隔；所述顶层多属层的连接调谐导电柱的部分的上方由一个导 电膜桥覆盖，以在所述顶层多属层的连接调谐导电柱的部分与该导电膜桥之间形成一个空腔。

优选的，所述调谐导电柱为金属柱，或者是其他能影响该基片集成波导滤波器中心频率的半导体材料构成。

优选的，所述基板的材料为玻璃、高阻硅、砷化镓，铟磷III-VI族半导体或有机物。

优选的，所述导电膜桥的上方形成有保护罩。

优选的，所述保护罩的材料为金属或玻璃。

优选的，所述导层膜桥通过所述顶层金属层进行馈电控制。

优选的，所述导电膜桥的材料为金属。

本发明还提出一种制作中心频率可调的基片集成波导滤波器的方法所述方法包括：在谐振腔内部形成调谐导电柱，所述调谐导电柱贯通于底层金属层和顶层多属层，但与中间金属层相互间隔；在所述顶层多属层的连接调谐导电柱的部分的上方形成一个导电膜桥，以在所述顶层多属层的连接调谐导电柱的部分与该导电膜桥之间形成一个空腔。

(三)有益效果

1.本发明可以在多种介质基板上制作，可以充分利用成熟的硅基和玻璃基工艺，大大的降低了制作的成本，工艺简单成熟。

2.本发明通过基片集成波导滤波器加载导电铜柱等的方式来调节中心频率，与传统的其他方式的调节中心频率的相比，性能更好。

3.本发明利用MEMS与晶圆级工艺，将MEMS开关与基片集成波导滤波器直接集成在一起，而不是传统的外置MEMS开关来控制基片集成波导滤波器的中心频率，有效的减少了MEMS元件由于封装带来的损耗。

4.本发明直接将可调基片集成波导滤波器制作成单独的封装的模块，提出了完整的工艺制作方法。

5.本发明与传统的基片集成波导滤波器制作在基板上相比，大大的增加了工程使用的方便性和可能性，对于整个系统来说，相对的可靠性更高。

附图说明

图1是本发明的中心频率可调的基片集成波导滤波器的叠层结构示意图；

图2是本发明的中心频率可调的基片集成波导滤波器的附视图；

图3A～图3I是本发明的一个实施例的中心频率可调的基片集成波导滤波器的制作工艺流程图，其中，图3A是对基板打通孔并进行实心电镀的工艺示意图，图3B是在基板的上表面和下表面形成底层金属层和中间金属层的工艺示意图，图3C是在基板的中间金属层上形成介质层的工艺示意图，图3E是在介质层上制作顶部金属层的工艺示意图，图3F是在底部金属层上形成牺牲层的工艺示意图，附图3G是在牺牲层上制作导电膜桥的工艺示意图。附图3H是释放牺牲层的工艺示意图。附图3I是在导电膜桥上方键合保护罩的工艺示意图。

具体实施方式

总的来说，本发明提出一种中心频率可调的基片集成波导滤波器。根据波导谐振频率的电调节的方法，利用在滤波器谐振腔内加载导电柱，导电柱的开关通过导电膜桥实现，以实现对谐振腔的谐振频率的扰动，从而实现了基片集成波导滤波器中心频率的调节，大大的增加了滤波器的应用范围和可校准性。

从制作方法来说，本发明利用MEMS工艺制作导电膜桥，即本发明通过MEMS工艺和晶圆级工艺的制作方法，利用导电膜桥开关调节基片集成波导滤波器中心频率。由此本发明将导电膜桥开关与基片集成波导集成封装在一起，构成了一个小型的SiP器件。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的中心频率可调的基片集成波导滤波器的叠层结构示意图。如图1所示，滤波器主要包括谐振腔，通常，谐振腔包括自下而上依次叠置的底层金属层13、基板11、中间金属层12、介质层14和顶层金属层16。谐振腔的侧壁则由多个贯通于顶层金属层16与底层金属层13的侧壁金属柱22构成，且谐振腔内部具有多个贯通于中间金属层12与底层金属层13的金属连接柱10，底层金属层13的连接侧壁金属柱22的部分与连接金属连接柱的10部分相互间隔。

本发明的谐振腔内部还设有用于调节中心频率的调谐导电柱21，调谐导电柱21也贯通于底层金属层13和顶层多属层16之间，但与中间金属层12相互间隔。顶层多属层16的连接调谐导电柱21的部分与连接侧壁导电柱22的部分相互间隔；底层金属层13的连接调谐导电柱21的部分与连接金属连接柱10的部分相互间隔。

此外，根据本发明，在顶层多属层16的连接调谐导电柱21的部分的上方由一个导电膜桥18覆盖，以在所述顶层多属层16的连接调谐导电柱的部分与该导电膜桥18之间形成一个空腔19。

图2是本发明的中心频率可调的基片集成波导滤波器的附视图。如图2所示，谐振腔数量依据滤波器特性可以是一级、二极或多级，在该实施例中为四个谐振腔，且四个谐振腔通过级联方式形成。如图2所示，各个谐振腔由侧壁金属柱围成，而调谐导电柱位于每个谐振腔的内部。调谐导电柱的上方覆盖有导电膜桥。此外，该滤波器还具有输入输出接入部分23。所述导层膜桥通过所述顶层金属层16进行馈电控制。

通过基片集成波导滤波器加载调谐导电柱等的方式来调节中心频率，与传统的其他方式的调节中心频率的相比，性能更好。

根据本发明，所述调谐导电柱优选为金属构成，例如铜柱，但本发明也可以选用其他能影响该基片集成波导滤波器中心频率的半导体材料构成调谐导电柱。

本发明的基板的材料可以为玻璃、高阻硅、砷化镓，铟磷III-VI族半导体或有机物等。

优选的，如图1所示，导电膜桥的上方形成有保护罩20，所述保护罩20的材料可为金属或玻璃。

图3A～图3I是本发明的一个实施例的中心频率可调的基片集成波导滤波器的制作工艺流程图。下面参照图3A～图3I来说明本发明的制作方法。

图3A是对基板打通孔并进行实心电镀的工艺示意图。如图3A所示，首先准备基板11材料，在该实施例中采用玻璃作为基板，然后去除基板 11表面的油污，杂质等，并在玻璃基板11内通过等离子刻蚀、激光烧蚀、喷砂等方法形成通孔，采用溅射或化学镀方式在双侧玻璃表面及内壁形成电镀种子层，然后电镀填充玻璃通孔，并双侧化学机械抛光去除表面铜层和种子层，形成玻璃基板内的实心的金属柱9。

附图3B是在基板的上表面和下表面形成底层金属层和中间金属层的工艺示意图。如图3B所示，在该实施例中，在基板11的上、下表面上采用电子束蒸发或溅射的方法制作Ti/Cu种子层，电镀Cu，光刻，图形化，腐蚀Cu层，去除光刻胶，从而在基板11的下表面形成Cu层，Cu层上具有图形化布线层与焊盘，上表面的Cu层在本发明中称为中间金属层，下表面的Cu层在本发明中称为底部金属层。值得注意的是，在图形化时，将后面作为调谐导电柱和侧壁导电柱的部分与其他部分相隔离。

附图3C是在基板的中间金属层上形成介质层的工艺示意图。如图3所示，在该实施例中，用旋涂、喷涂或淀积等方式在中间金属层12上形成绝缘介质构成的介质层14，该绝缘介质例如为聚酰亚胺或氮化硅。

附图3D是在介质层内打孔并进行实心电镀的工艺示意图。如图3D所示，在介质层14的欲形成调谐导电柱和侧壁金属柱的位置通过光刻、刻蚀形成连接中间金属层的孔，采用化学镀铜填充孔，制成第介质层14内的金属连接孔15。

附图3E是在介质层上制作顶部金属层的工艺示意图。如图3E所示，在介质层14上溅射种子层，光刻，电镀，形成介质层14上作为共面波导结构与布线结构的顶部金属层16，并去掉光刻胶、腐蚀种子层。

附图3F是在底部金属层上形成牺牲层的工艺示意图。如图3F所示，所述牺牲层17形成在作为调谐导电柱的上部，采用光刻胶或者多晶硅制作牺牲层17。

附图3G是在牺牲层上制作导电膜桥的工艺示意图。如图3G所示，通过涂覆光刻胶后进行光刻，然后电镀制作导电膜桥18。在该实施例中，导电膜桥18是由金属形成。

附图3H是释放牺牲层的工艺示意图。如图3H所示，在该实施例中采用丙酮或氢氧化钾溶液释放以去掉牺牲层17、种子层，留下空气腔19。

附图3I是在导电膜桥上方键合保护罩的工艺示意图。如图3I所示，在该实施例中，将玻璃盖帽用键合胶或玻璃熔浆等材料键合作为保护罩20，保护导电膜桥18。

至此，本发明的滤波器中心频率可调的基片集成波导滤波器制作完毕。由上面的工艺可看出，本发明可以在多种介质基板上制作，可以充分利用成熟的硅基和玻璃基工艺，大大的降低了制作的成本，工艺简单成熟。

上述工艺结合了MEMS工艺与晶圆级工艺，将MEMS开关的结构与基片集成波导滤波器直接集成在一起，而不是像传统的外置MEMS开关来控制基片集成波导滤波器的中心频率，有效的减少了MEMS元件由于封装带来的损耗。与传统的基片集成波导滤波器制作在基板上相比，本发明大大的增加了工程使用的方便性和可能性，对于整个系统来说，相对的可靠性更高。

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，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之内。

Claims (13)

1.一种中心频率可调的基片集成波导滤波器，所述滤波器包括谐振腔，谐振腔包括自下而上依次叠置的底层金属层、基板、中间金属层、介质层和顶层金属层，诸振腔的侧壁由多个贯通于顶层金属层与底层金属层的侧壁金属柱构成，且谐振腔内部具有多个贯通于中间金属层与底层金属层的金属连接柱，底层金属层的连接侧壁金属柱的部分与连接金属连接柱的部分相互间隔，其特征在于：

所述谐振腔内部还具有调谐导电柱，所述调谐导电柱贯通于底层金属层和顶层多属层，但与中间金属层相互间隔；

顶层多属层的连接调谐导电柱的部分与连接侧壁导电柱的部分相互间隔；底层金属层的连接调谐导电柱的部分与连接金属连接柱的部分相互间隔；

所述顶层多属层的连接调谐导电柱的部分的上方由一个导电膜桥覆盖，以在所述顶层多属层的连接调谐导电柱的部分与该导电膜桥之间形成一个空腔。

2.如权利要求1所述的中心频率可调的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述调谐导电柱为金属柱，或者是其他能影响该基片集成波导滤波器中心频率的半导体材料构成。

3.如权利要求1所述的中心频率可调的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述基板的材料为玻璃、高阻硅、砷化镓，铟磷III-VI族半导体或有机物。

4.如权利要求1所述的中心频率可调的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述导电膜桥的上方形成有保护罩。

5.如权利要求4所述的中心频率可调的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述保护罩的材料为金属或玻璃。

6.如权利要求1所述的中心频率可调的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述导层膜桥通过所述顶层金属层进行馈电控制。

7.如权利要求1所述的中心频率可调的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述导电膜桥的材料为金属。

8.一种制作中心频率可调的基片集成波导滤波器的方法，所述滤波器包括谐振腔，谐振腔包括自下而上依次叠置的底层金属层、基板、中间金属层、介质层和顶层金属层，诸振腔的侧壁由多个贯通于顶层金属层与底层金属层的侧壁金属柱构成，其特征在于，所述方法包括：

所述谐振腔内部形成调谐导电柱，所述调谐导电柱贯通于底层金属层和顶层多属层，但与中间金属层相互间隔；

在所述顶层多属层的连接调谐导电柱的部分的上方形成一个导电膜桥，以在所述顶层多属层的连接调谐导电柱的部分与该导电膜桥之间形成一个空腔。

9.如权利要求8所述的制作中心频率可调的基片集成波导滤波器的方法，其特征在于，所述调谐导电柱为金属柱，或者是其他能影响该基片集成波导滤波器中心频率的半导体材料构成。

10.如权利要求8所述的制作中心频率可调的基片集成波导滤波器的方法，其特征在于，所述基板的材料为玻璃、高阻硅、砷化镓，铟磷III-VI族半导体或有机物。

11.如权利要求8所述的制作中心频率可调的基片集成波导滤波器的方法，其特征在于，还包括在所述导电膜桥的上方形成保护罩的步骤。

12.如权利要求11所述的制作中心频率可调的基片集成波导滤波器的方法，其特征在于，所述保护罩的材料为金属或玻璃。

13.如权利要求8所述的制作中心频率可调的基片集成波导滤波器的方法，其特征在于，所述导电膜桥的材料为金属。