CN106374197B - 基于mems工艺的硅基tem波天线阵列及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列及其制作方法，涉及波导天线技术领域。所述天线阵列包括从上到下依次固定连接在一起的天线层、窗口层和耦合能量层，所述天线层、窗口层和耦合能量层采用硅基介质基板制作，所述天线层的上表面设有两行以上且行内间隔设置的尺寸相同的矩形刻蚀区，所述天线层、窗口层和耦合能量层除侧面外设有金属层。所述天线阵列基于MEMS体微加工工艺中的贯穿式蚀刻和表面镀金工艺，在三层硅基介质基板上，利用两端短路的双导体TEM波传输线结合周期性的磁流抑制枝节的方式，得到了在宽频带内方向图稳定的高增益天线阵。

Description

基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列及其制作方法

技术领域

本发明涉及波导天线技术领域，尤其涉及一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列及其制作方法。

背景技术

随着人们对高速率、高质量的无线通信服务的追求，目前无线传输技术中Mbps级的传输速率已经不能满足当前无线通信的需求，另外现有无线频谱资源也越来越拥挤，督促从业人员开发更高频率的通信频段。免执照的60 GHz毫米波频段凭借其丰富的频宽资源和Gbps级的传输速率，以及频率复用、抗干扰性强和易于小型化等诸多优势，越来越受到人们的广泛关注。通信频率升高到毫米波段带来的问题是元器件对于加工精度的要求的提高，传统的印制电路板加工工艺难以满足所需精度，因此高精度的加工工艺成为毫米波通信的挑战。

目前已经有一些工艺可以满足毫米波元器件所需精度，比如微机电系统（MEMS）加工工艺，低温共烧陶瓷工艺（LTCC），SU-8光刻胶工艺，扩散焊接工艺和介质集成波导（SIW）工艺等。MEMS是指能够将微传感器、微电机、微功率源、信号处理控制电路和其他微小元器件集成于单个芯片的系统，MEMS元器件的尺寸通常为毫米或微米级别，因此微加工工艺是制造MEMS设备和元器件的基础技术。微加工工艺中最成熟的技术是源于集成电路加工工艺的硅微加工工艺，它是指在微米级别的精度上精加工硅基介质基板，加工工艺包括蚀刻，扩散，光刻，离子注入，外延和汽相淀积等。

硅微加工工艺又分为体微加工和表面微加工工艺。体微加工工艺是指利用蚀刻工艺选择性移除单晶硅片上的某一部分，选择性蚀刻可以提升天线性能，体微加工工艺最早在1989年用来生产毫米波天线，利用体微加工工艺生产的微结构精度可以达到微米级并且可以加工具有高深宽比的复杂三维结构，现今大多数MEMS设备和元器件都是利用硅的体微加工工艺生产制造的。表面微加工工艺是在硅片的表面通过沉积牺牲层和结构层，然后蚀刻掉牺牲层得到所需的微结构，该工艺流程十分复杂并且生产得到的最终结构一般为平面结构。

LIGA工艺也是MEMS微加工工艺的一种，基于X射线光刻技术，该工艺流程包括X光深度同步辐射光刻，电铸成型和塑料铸膜，利用LIGA生产得到的微结构深宽比可达200以上并且可以制作任意复杂的图形结构；但是X射线光刻需要同步辐射光源，成本很高，而且难于与IC集成制作。LTCC是现今多层结构实现集成的主流技术，LTCC技术是在由低温烧结的陶瓷粉制成生瓷带上制成所需的电路图形，然后叠压并在900℃下烧结，制成三维空间互不干扰的高密度电路；但是LTCC有很多不足：共烧时基板与浆料的烧结特性不匹配会导致烧成后的基板表面不平整，层数多和功率密度高使得散热成为难题，另外利用LTCC工艺制作的天线精度受限，这些都限制了LTCC工艺在毫米波天线中的应用。

SU-8光刻胶工艺是利用SU-8胶在近紫外光范围内的低吸收率来制作具有高深宽比的微结构，深宽比可达50:1并且侧壁几乎垂直，但是SU-8光刻胶技术不能保证横向尺寸的精度。扩散焊接工艺是利用原子扩散的原理在两层金属间形成可靠连接的过程，但是该工艺对相互结合的两个表面的表面光洁度和平整度要求严苛，扩散所需时间长，设备一次性投资较大，成本高，无法进行连续式批量生产。SIW是平面形式的矩形金属波导，它常用来制作毫米波槽阵列和贴片阵列，但是在毫米波段介质损耗大并且SIW所需的大量金属过孔使得生产复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列及其制作方法，所述天线阵列基于MEMS体微加工工艺中的贯穿式蚀刻和表面镀金工艺，在三层硅基介质基板上，利用两端短路的双导体TEM波传输线结合周期性的磁流抑制枝节的方式，得到了在宽频带内方向图稳定的高增益天线阵。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列，其特征在于：包括从上到下依次固定连接在一起的天线层、窗口层和耦合能量层，所述天线层、窗口层和耦合能量层采用硅基介质基板制作，所述天线层的上表面设有两行以上且行内间隔设置的尺寸相同的矩形刻蚀区，所述窗口层的上表面设有矩形窗口，在X轴方向上，所述天线层上最左侧的矩形蚀刻区的左边缘与所述矩形窗口的左边缘对齐，所述天线层上最右侧的矩形蚀刻区的右边缘与所述矩形窗口的右边缘对齐；在Y方向上，所述矩形蚀刻区的上边缘与所述矩形窗口的上边缘对齐，所述矩形蚀刻区的下边缘与所述矩形窗口的下边缘对齐，所述天线层、窗口层和耦合能量层除侧面外设有金属层。

进一步的技术方案在于：所述耦合能量层的上表面设有用于耦合能量和调节匹配的耦合槽。

进一步的技术方案在于：所述矩形窗口的中心与所述耦合槽的中心对齐。

进一步的技术方案在于：行与行矩形刻蚀区之间的天线层构成上导体，每行内的矩形刻蚀区之间的天线层构成磁流抑制枝节，磁流抑制枝节位于每个半周期等效磁流的最大磁流强度位置。

进一步的技术方案在于：所述矩形刻蚀区设有两行，每行内间隔设有两个矩形刻蚀区。

本发明还公开了一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1）利用MEMS体微加工工艺中的贯穿式干法蚀刻工艺，在天线层的中心区域蚀刻出两行以上且行内间隔设置的若干个具有相同尺寸的矩形蚀刻区，然后给天线层除侧面外的所有面镀金属，行与行矩形刻蚀区之间的天线层构成上导体，每行内的矩形刻蚀区之间的天线层构成磁流抑制枝节，磁流抑制枝节位于每个半周期等效磁流的最大磁流强度位置；

2）利用贯穿式干法蚀刻工艺，在矩形窗口层的中心位置蚀刻出提供电磁波传播所需空间的矩形窗口，然后给矩形窗口层除侧面外的所有面镀金属，此时，在X轴方向上，所述天线层上最左侧的矩形蚀刻区的左边缘与所述矩形窗口的左边缘对齐，所述天线层上最右侧的矩形蚀刻区的右边缘与所述矩形窗口的右边缘对齐；在Y方向上，所述矩形蚀刻区的上边缘与所述矩形窗口的上边缘对齐，所述矩形蚀刻区的下边缘与所述矩形窗口的下边缘对齐；

3）利用贯穿式干法蚀刻工艺，在耦合能量层的中心位置蚀刻出用于给天线层耦合能量和调节匹配的耦合槽，然后给耦合能量层除侧面外的所有面镀金属，耦合槽的中心位置与矩形窗口的中心位置对齐。

进一步的技术方案在于：基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

所述方法在步骤3）后还包括利用定位销和螺丝将天线层、窗口层和耦合能量层固定结合在一起的步骤。

进一步的技术方案在于：所述矩形刻蚀区设有两行，每行内间隔设有两个矩形刻蚀区。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1）首次提出了TEM波天线阵列的概念，该天线具有带宽宽和在频带内方向图稳定的优良性能；2）所述TEM波天线阵列可沿某单一方向扩展，生成高增益扇形波束；3）基于MEMS体微加工工艺中的贯穿式蚀刻和表面镀金工艺，该天线阵列由空气腔和金属壁构成，电磁波在传播过程中只经过空气介质，不经过其他任何介质，与同类型的其他天线相比，具有宽带宽和高增益的优点。

附图说明

图1是双导体TEM波传输线的结构示意图；

图2是图1的分解结构示意图；

图3是TEM波天线阵列的结构示意图；

图4是图3的分解结构示意图；

图5是本发明所述天线阵列的一种分解结构示意图；

图6是图5中天线层的俯视结构示意图；

图7是图5中天线层的剖视结构示意图；

图8是图5中窗口层的俯视结构示意图；

图9是图5中窗口层的剖视结构示意图；

图10是图5中耦合能量层的俯视结构示意图；

图11是图5中耦合能量层的剖视结构示意图；

图12是图5所示天线阵列的反射系数图；

图13是图5所示天线阵列的边射方向增益曲线图；

图14是图5所示天线阵列在均匀分布于频带内的四个频点：50、55、60、65 GHz处的归一化E面（YZ面）的远场方向图；

图15是图5所示天线阵列在均匀分布于频带内的四个频点：50、55、60、65 GHz处的归一化H面（XZ面）的远场方向图；

其中：1、天线层 2、窗口层 3、耦合能量层 4、矩形蚀刻区 5、矩形窗口6、耦合槽7、上导体 8、磁流抑制枝节。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

原理：图1是双导体TEM波传输线的结构示意图，图2是图1的分解结构示意图，所述双导体TEM波传输线由三层硅基结构：顶部层，中间层和底部层构成；顶部层由三部分构成，其中7为双导体TEM波传输线的上导体，中间层由两部分构成，5为提供电磁波传播所需空间的矩形窗口，底部层为双导体TEM波传输线的下导体。根据“LOVE等效原理”，双导体TEM波传输线的边缘电场可等效为磁流，等效磁流用图2顶部层上带有中心箭头的黑色实线表示，可以看到，上导体两侧的等效磁流反相，并且同侧等效磁流具有周期性。这样，电磁波便被约束在上导体和下导体之间的矩形窗口内传播。如果能够抑制掉沿某个方向的所有等效磁流，只剩下沿另外一个方向的同相等效磁流，便能够形成有效辐射，得到边射波束。

图3是TEM波天线阵列的结构示意图，图4是图3的分解结构示意图；图3中的中间层和底部层分别同图1中的中间层和底部层，图3中的顶部层是图1的底部层上通过加工工艺，加上一系列周期性的磁流抑制枝节后构成的，磁流抑制枝节的位置处于顶部层中方向向左的等效磁流的中心位置，也就是每个半周期等效磁流的最大磁流强度位置，这样，所有方向向左的等效磁流的大部分能量被抑制掉，只剩下方向向右的同相等效磁流，如图2顶部层中带有中心箭头的黑色实线所示，这些等效磁流可以在边射方向形成最大辐射，构成一维等效磁流天线阵列，这便是TEM波天线阵列的辐射原理。

如图5所示，给出了一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列，包括从上到下依次固定连接在一起的天线层1、窗口层2和耦合能量层3。所述天线层1、窗口层2和耦合能量层3采用硅基介质基板制作。所述天线层1的上表面设有两行且行内间隔设置的尺寸相同的矩形刻蚀区4。行与行矩形刻蚀区4之间的天线层构成上导体7，每行内的矩形刻蚀区4之间的天线层构成磁流抑制枝节8，磁流抑制枝节8位于每个半周期等效磁流的最大磁流强度位置。

所述窗口层2的上表面设有矩形窗口5，在X轴方向上，所述天线层1上最左侧的矩形蚀刻区4的左边缘与所述矩形窗口5的左边缘对齐，所述天线层1上最右侧的矩形蚀刻区4的右边缘与所述矩形窗口5的右边缘对齐；在Y方向上，所述矩形蚀刻区4的上边缘与所述矩形窗口5的上边缘对齐，所述矩形蚀刻区4的下边缘与所述矩形窗口5的下边缘对齐；所述耦合能量层3的上表面设有用于耦合能量和调节匹配的耦合槽6，所述矩形窗口5的中心与所述耦合槽6的中心对齐；所述天线层、窗口层和耦合能量层除侧面外设有金属层优选的,所述金属层为金层。

本发明还公开了一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列的制作方法，包括如下步骤：

1）利用MEMS体微加工工艺中的贯穿式干法蚀刻工艺（蚀刻气体为六氟化硫），在天线层1的中心区域蚀刻出两行，每行包括两个间隔设置的尺寸相同的矩形蚀刻区4，然后给天线层1除侧面外的所有面镀金属，行与行矩形刻蚀区4之间的天线层构成上导体7，每行内的矩形刻蚀区4之间的天线层构成磁流抑制枝节8，磁流抑制枝节8位于每个半周期等效磁流的最大磁流强度位置；

2）利用贯穿式干法蚀刻工艺，在矩形窗口层2的中心位置蚀刻出提供电磁波传播所需空间的矩形窗口5，然后给矩形窗口层2除侧面外的所有面镀金属，此时，在X轴方向上，所述天线层1上最左侧的矩形蚀刻区4的左边缘与所述矩形窗口5的左边缘对齐，所述天线层1上最右侧的矩形蚀刻区4的右边缘与所述矩形窗口5的右边缘对齐；在Y方向上，所述矩形蚀刻区4的上边缘与所述矩形窗口5的上边缘对齐，所述矩形蚀刻区4的下边缘与所述矩形窗口5的下边缘对齐；

3）利用贯穿式干法蚀刻工艺，在耦合能量层3的中心位置蚀刻出用于给天线层耦合能量和调节匹配的耦合槽6，然后给耦合能量层除侧面外的所有面镀金属，耦合槽6的中心位置与矩形窗口5的中心位置对齐。这样，这三层结构的所有面都是镀金层，类似全金属结构，电磁波在传播过程中只经过空气介质和金属壁，不经过其他任何非空气介质，所以介质损耗非常小。

4）利用定位销和螺丝将天线层1、窗口层2和耦合能量层3固定结合在一起的步骤（为了简洁和更好的展示天线结构，预留给定位销和螺丝的孔没有在图中给出）。馈电结构利用410系列同轴-波导转换器，并且馈电波导口和耦合槽的中心位置对齐。

原理解释：天线层在经过贯穿式干法蚀刻工艺后，自然生成四个磁流抑制枝节和双导体TEM波传输线的上导体，双导体传输线的下导体为耦合能量层；由于上导体沿X方向的长度和矩形窗口沿X方向的长度相等，故该双导体传输线两端短路。磁流抑制枝节的作用是抑制掉沿-X方向的所有等效磁流，只留下沿+X方向的等相等效磁流，如天线层上带有中心箭头的黑色实线所示，形成四单元等效磁流天线阵列。N单元TEM波天线阵列实际上是N单元等效磁流天线阵列。

图6-11给出了一个工作于60GHz毫米波波段的基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列的具体实施例。图6-7给出了天线层的详细尺寸，天线层所在硅片沿X方向的长度为20毫米，沿Y方向的长度为10毫米，沿Z方向的厚度为0.4毫米，四个矩形蚀刻区沿X方向的长度为3.5毫米，沿Y方向的长度为1.25毫米，由于贯穿式蚀刻，沿Z方向的厚度等于硅片厚度即0.4毫米，此时自然形成的两种不同尺寸的磁流抑制枝节，沿X方向的长度分别为2.5毫米和1.5毫米，沿Y方向的长度同为1.25毫米，双导体TEM波传输线的上导体沿X方向的长度为11毫米，沿Y方向的长度为1.5毫米；

图8-9给出了矩形窗口层的详细尺寸，矩形窗口层所在硅片沿X方向的长度为20毫米，沿Y方向的长度为10毫米，沿Z方向的厚度为0.65毫米，矩形窗口81沿X方向的长度为11毫米，沿Y方向的长度为4毫米，沿Z方向的厚度等于硅片厚度即0.65毫米；

图10-11给出了耦合能量层9的详细尺寸，耦合能量层9所在硅片沿X方向的长度为20毫米，沿Y方向的长度为10毫米，沿Z方向的厚度为0.4毫米，耦合槽91沿X方向的长度为1.25毫米，沿Y方向的长度为3.5毫米，沿Z方向的厚度等于硅片厚度即0.4毫米；馈电结构为410系列同轴-波导转换器，波导为标准矩形波导BJ620，其沿X方向的长度为1.88毫米，沿Y方向的长度为3.759毫米。

采用该参数设计的工作于60GHz毫米波波段的硅基TEM波天线阵列的反射系数由图12给出，其-10 dB工作频带为：48.43-66.90 GHz （18.47 GHz，32.03%），具有很宽的阻抗带宽；图13给出了工作频带内沿+Z方向的增益曲线，增益值随频率的升高而增大，在66.9GH处，增益取得最大值为14.8 dBi，在48.43GHz处，增益取得最小值为5.60dBi，3dB增益带宽为：50.67-66.9GHz（16.23 GHz，27.61%），在频率大于49.60 GHz以上的频带内，增益都大于10 dBi，而且非常稳定。

图14-15分别给出了均匀分布于频带内的四个频点：50、55、60、65 GHz处的归一化E面（YZ面）和归一化H面（XZ面）远场方向图，可以看到最大方向沿边射方向（+Z），并且在整个频带内方向图都十分稳定，E面方向图为扇形波束，H面方向图为针状波束。

综上所述，本发明所述天线阵列基于MEMS体微加工工艺中的贯穿式蚀刻和表面镀金工艺，在三层硅基介质基板上，利用两端短路的双导体TEM波传输线结合周期性的磁流抑制枝节的方式，得到了在宽频带内方向图稳定的高增益天线阵。TEM波天线阵列具有带宽宽和在频带内方向图稳定的优良性能，并且该天线阵可沿某单一方向扩展，生成高增益扇形波束。基于MEMS体微加工工艺中的贯穿式蚀刻和表面镀金工艺，该天线由空气腔和金属壁构成，电磁波在传播过程中只经过空气介质，不经过其他任何介质，与同类型的其他天线相比，具有宽带宽和高增益的优势。

Claims (5)

1.一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列，其特征在于：包括从上到下依次固定连接在一起的天线层（1）、窗口层（2）和耦合能量层（3），所述天线层（1）、窗口层（2）和耦合能量层（3）采用硅基介质基板制作，所述天线层（1）的上表面设有两行以上且行内间隔设置的尺寸相同的矩形蚀刻区（4），所述窗口层（2）的上表面设有矩形窗口（5），在X轴方向上，所述天线层（1）上最左侧的矩形蚀刻区（4）的左边缘与所述矩形窗口（5）的左边缘对齐，所述天线层（1）上最右侧的矩形蚀刻区（4）的右边缘与所述矩形窗口（5）的右边缘对齐；在Y方向上，所述矩形蚀刻区（4）的上边缘与所述矩形窗口（5）的上边缘对齐，所述矩形蚀刻区（4）的下边缘与所述矩形窗口（5）的下边缘对齐，所述天线层（1）、窗口层（2）和耦合能量层（3）除侧面外设有金属层；

其中，行与行矩形蚀刻区（4）之间的天线层构成上导体（7），每行内的矩形蚀刻区（4）之间的天线层构成磁流抑制枝节（8），磁流抑制枝节（8）位于每个半周期等效磁流的最大磁流强度位置；所述耦合能量层（3）的上表面设有用于耦合能量和调节匹配的耦合槽（6），所述矩形窗口（5）的中心与所述耦合槽（6）的中心对齐。

2.如权利要求1所述的基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列，其特征在于：所述矩形蚀刻区（4）设有两行，每行内间隔设有两个矩形刻蚀区。

3.一种基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列的制作方法，其特征在于包括如下步骤：

1）利用MEMS体微加工工艺中的贯穿式干法蚀刻工艺，在天线层（1）的中心区域蚀刻出两行以上且行内间隔设置的若干个具有相同尺寸的矩形蚀刻区（4），然后给天线层（1）除侧面外的所有面镀金属，行与行矩形蚀刻区（4）之间的天线层构成上导体（7），每行内的矩形蚀刻区（4）之间的天线层构成磁流抑制枝节（8），磁流抑制枝节（8）位于每个半周期等效磁流的最大磁流强度位置；

2）利用贯穿式干法蚀刻工艺，在矩形窗口层（2）的中心位置蚀刻出提供电磁波传播所需空间的矩形窗口（5），然后给矩形窗口层（2）除侧面外的所有面镀金属，此时，在X轴方向上，所述天线层（1）上最左侧的矩形蚀刻区（4）的左边缘与所述矩形窗口（5）的左边缘对齐，所述天线层（1）上最右侧的矩形蚀刻区（4）的右边缘与所述矩形窗口（5）的右边缘对齐；在Y方向上，所述矩形蚀刻区（4）的上边缘与所述矩形窗口（5）的上边缘对齐，所述矩形蚀刻区（4）的下边缘与所述矩形窗口（5）的下边缘对齐；

3）利用贯穿式干法蚀刻工艺，在耦合能量层（3）的中心位置蚀刻出用于给天线层耦合能量和调节匹配的耦合槽（6），然后给耦合能量层除侧面外的所有面镀金属，耦合槽（6）的中心位置与矩形窗口（5）的中心位置对齐。

4.如权利要求3所述的基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列的制作方法，其特征在于：所述方法在步骤3）后还包括利用定位销和螺丝将天线层（1）、窗口层（2）和耦合能量层（3）固定结合在一起的步骤。

5.如权利要求3所述的基于MEMS工艺的硅基TEM波天线阵列的制作方法，其特征在于：所述矩形蚀刻区（4）设有两行，每行内间隔设有两个矩形蚀刻区（4）。

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