CN106817103B - 一种微机械可调滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机械可调滤波器，包括基片、两个梳齿电容、可调电感、两个可变电容和信号线；基片中部设置有基片凹槽，可调电感包括悬浮设置在基片凹槽内的螺线管电感和微机械开关，微机械开关安装在基片表面且通过静电驱动控制调节螺线管电感；螺线管电感两端均连接可变电容和梳齿电容，两个梳齿电容与螺线管电感通过信号线串联在一起，两个可变电容与螺线管电感通过信号线并联在一起。本发明利用可调电感与可变电容，可同时实现数字可调和连续可调的滤波器；悬浮设置可调电感，相比较传统平面电感具有更高的品质因数；可显著降低滤波器尺寸，具有更高的性能和更宽的频带可调范围，从而降低系统体积，提高系统集成性。

Description

一种微机械可调滤波器
技术领域
本发明涉及一种微波频段中工作的滤波器，特别是涉及一种微机械可调滤波器。属于微波电路、微电子和微机械(MEMS)系统交叉技术领域。
背景技术
现代无线通信通常要求射频前端系统具有多种频带灵活选择的功能，以满足用户对多频带、多功能、多模式的应用需求，使收发系统适应不同的应用标准。可调滤波器在军用和民用收发组件中具有重要的应用和研究价值。它极大地减小了在多频带应用中的系统尺寸，并可根据需求动态地选择和抑制信号的频率以及降低通道间的干扰。可调滤波器包括数字可调滤波器和连续可调滤波器。前者适用于一些离散工作频率的调谐，而后者适用于连续工作频率的调谐。在滤波器的设计中，无源的电感和电容是实现片上滤波器最简单的方法。随着微波通信系统的日益发展，要求采用数量尽量少，且电感量尽量小的片上无源电感以及电容值尽量小的无源电容来构成数字可调或连续可调的微波带通滤波器。然而，目前已报道的可调微机械滤波器通常采用平面电感、甚至多个平面电感和仅采用电容调节的方式，这不仅增大了尺寸和寄生损耗，而且由于平面电感的较低品质因数，导致较差的滤波器性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种可实现的数字可调和连续可调的微机械滤波器，具有小体积、高性能和更宽的可调宽频的性能。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种微机械可调滤波器，包括基片、两个梳齿电容、可调电感、两个可变电容和信号线；所述基片中部设置有基片凹槽，所述可调电感包括悬浮设置在所述基片凹槽内的螺线管电感和微机械开关，所述微机械开关安装在基片表面且通过静电驱动控制调节所述螺线管电感；所述螺线管电感两端均连接所述可变电容和梳齿电容，两个所述梳齿电容与螺线管电感通过所述信号线串联在一起，两个所述可变电容与螺线管电感通过所述信号线并联在一起。
本发明的有益效果是：本发明利用可调电感与可变电容，可同时实现数字可调和连续可调的滤波器；悬浮设置可调电感，相比较传统平面电感具有更高的品质因数；可显著降低滤波器尺寸，具有更高的性能和更宽的频带可调范围，从而降低系统体积、提高系统集成性，具有小体积、高性能和更宽的频带可调的特点。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述微机械开关为悬臂梁接触式微机械开关，所述悬臂梁接触式微机械开关包括静电驱动电极、第一高阻隔离电阻线和第一直流驱动焊盘，所述第一高阻隔离电阻线中部固定在基片上，所述第一高阻隔离电阻线的一端安装有静电驱动电极，另一端安装有第一直流驱动焊盘。
进一步，所述可变电容为由静电驱动的桥式平行板电容，所述可变电容上电极与对应的所述信号线连接，所述可变电容下电极为静电驱动电极。
进一步，所述可变电容上电极通过电镀金或电镀铜工艺制作，所述可变电容下电极外覆盖有氮化硅介质层，所述可变电容下电极与第二高阻隔离电阻线与第二直流驱动焊盘依次连接。
进一步，所述悬浮螺线管电感通过电镀金或电镀铜工艺制作。
进一步，所述梳齿电容通过电镀金或电镀铜工艺制作。
进一步，所述信号线为微带线或共面波导形式的信号传输线结构。
进一步，所述基片的材料为高阻硅衬底，所述高阻硅衬底上设有采用热氧化或CVD工艺生长的二氧化硅或氮化硅介质层。
进一步，所述基片凹槽采用湿法或干法刻蚀工艺制作而成。
采用上述进一步方案的有益效果是：该滤波器所采用悬臂梁接触式微机械开关、可变电容和悬浮设置的可调电感均采用牺牲层工艺，具有较好的工艺兼容性。
附图说明
图1为本发明微机械可调滤波器的平面结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、微机械开关；11、静电驱动电极；12、第一高阻隔离电阻线；13、第一直流驱动焊盘；2、基片；21、基片凹槽；3、梳齿电容；4、螺线管电感；5、可变电容；51、可变电容上电极；52、可变电容下电极；53、氮化硅介质层；54、第二高阻隔离电阻线；55、第二直流驱动焊盘；6、信号线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本实施例的一种微机械可调滤波器，包括基片2、两个梳齿电容3、可调电感、两个可变电容5和信号线6；基片2中部设置有基片凹槽21，可调电感包括悬浮设置在基片凹槽21内的螺线管电感4和微机械开关1，微机械开关1安装在基片2表面且通过静电驱动控制调节螺线管电感4，螺线管电感4两端依次连接可变电容5和梳齿电容3，两个梳齿电容3与螺线管电感4通过信号线6串联在一起，两个可变电容5与螺线管电感4通过信号线6并联在一起。
本实施例的基片2采用<100>晶向的高阻硅衬底，厚度为450μm，电阻率大于2000Ω·cm，在衬底上采用热氧化和LPCVD工艺分别生长SiO2和Si3N4薄膜，厚度分别为200nm和300nm。在基片2表面溅射出总厚度为200nm的TiW/Au金属层，作为微机械开关1驱动电极、可变电容5驱动电极以及基片2表面电感螺旋线圈的电镀种子层，光刻形成微机械开关1驱动电极、可变电容5驱动电极以及相应的第一直流驱动焊盘13、第二直流驱动焊盘55的电镀模具，电镀1μm Au作为微机械开关1驱动电极、可变电容5驱动电极以及驱动电极直流驱动焊盘13，光刻出微机械开关1驱动电极和可变电容5驱动电极的隔离电阻线后，利用磁控溅射工艺制作第一高阻隔离电阻线12和第二高阻隔离电阻线54，其方阻达1KΩ/□以上。
本实施例中，光刻形成基片2表面电感螺旋线圈电镀模具，电镀5μm Au作为基片2表面电感螺旋线圈，去除种子层，利用PECVD工艺沉积低应力Si3N4介质层。在基片中光刻出基片凹槽21的矩形区域，矩形边界与硅衬底<110>晶向平行，干法刻蚀SiO2和Si3N4，形成基片凹槽21的刻蚀窗口，SiO2和Si3N4作为刻蚀凹槽结构的掩膜，利用浓度为30wt％的氢氧化钾(KOH)溶液在75℃条件下在高阻硅片上刻蚀出基片凹槽21。
本实施例的微机械开关1为悬臂梁接触式微机械开关，悬臂梁接触式微机械开关包括静电驱动电极11、第一高阻隔离电阻线12和第一直流驱动焊盘13，第一高阻隔离电阻线12中部固定在基片上，第一高阻隔离电阻线12的一端安装有静电驱动电极11，另一端安装有第一直流驱动焊盘13。
本实施例的可变电容5为由静电驱动的桥式平行板电容，可变电容5上电极与对应的信号线6连接，可变电容下电极52为静电驱动电极。可变电容上电极51通过电镀金或电镀铜工艺制作，可变电容下电极52外覆盖有氮化硅介质层53，可变电容下电极52与第二高阻隔离电阻线54与第二直流驱动焊盘55依次连接。本实施例的螺线管电感4通过电镀金或电镀铜工艺制作。
本实施例中，在基片2上旋涂聚酰亚胺牺牲层，并利用聚酰亚胺的流动性，使其往凹槽内进行自流平，并对其固化，表面牺牲层厚度约为4μm。利用喷胶和光刻工艺完成牺牲层图形化。溅射TiW/Au金属层，总厚度为200nm，作为传输线、微机械开关1的上电极、可变电容上电极51、梳齿电容3以及基片凹槽21内电感螺旋线圈的电镀种子层，利用喷胶和光刻工艺形成传输线、微机械开关1的上电极、可变电容上电极51、梳齿电容3以及基片凹槽21内电感螺旋线圈电镀模具，然后电镀5μm Au制作传输线、悬臂梁开关上电极、可变电容上电极51、梳齿电容3以及基片凹槽21内电感螺旋线圈。最后，利用氧气等离子体刻蚀工艺对聚酰亚胺牺牲层进行释放。
本实施例的一种微机械可调滤波器，利用可调电感和可变电容5，可以实现数字可调和连续可调的微机械滤波器功能；采用悬浮设置的可调电感4，相比较传统平面电感具有更高的品质因数；可显著降低滤波器尺寸，具有更高的性能和更宽的频带可调范围，从而降低系统体积，提高系统集成性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微机械可调滤波器，其特征在于，包括基片(2)、两个梳齿电容(3)、可调电感、两个可变电容(5)和信号线(6)；所述基片(2)中部设置有基片凹槽(21)，所述可调电感包括悬浮设置在所述基片凹槽(21)内的螺线管电感(4)和微机械开关(1)，所述微机械开关(1)安装在基片(2)表面且通过静电驱动控制调节所述螺线管电感(4)；所述螺线管电感(4)两端均连接所述可变电容(5)和梳齿电容(3)，两个所述梳齿电容(3)与螺线管电感(4)通过所述信号线(6)串联在一起，两个所述可变电容(5)与螺线管电感(4)通过所述信号线(6)并联在一起；所述基片凹槽(21)采用湿法或干法刻蚀工艺制作而成；所述基片(2)的材料为高阻硅衬底，所述高阻硅衬底上设有采用热氧化或CVD工艺生长的二氧化硅或氮化硅介质层(53)；所述微机械开关(1)为悬臂梁接触式微机械开关，所述悬臂梁接触式微机械开关包括静电驱动电极(11)、第一高阻隔离电阻线(12)和第一直流驱动焊盘(13)，所述第一高阻隔离电阻线(12)中部固定在基片(2)上，所述第一高阻隔离电阻线(12)的一端安装有静电驱动电极(11)，另一端安装有第一直流驱动焊盘(13)；光刻形成所述基片(2)表面电感螺旋线圈电镀模具，电镀Au作为所述基片(2)表面电感螺旋线圈，去除种子层，并利用PECVD工艺沉积低应力Si3N4介质层，从而形成所述螺线管电感(4)。
2.根据权利要求1所述一种微机械可调滤波器，其特征在于，所述可变电容(5)为由静电驱动的桥式平行板电容，所述可变电容上电极(51)与对应的所述信号线(6)连接，所述可变电容下电极(52)为静电驱动电极。
3.根据权利要求2所述一种微机械可调滤波器，其特征在于，所述可变电容上电极(51)通过电镀金或电镀铜工艺制作，所述可变电容下电极(52)外覆盖有氮化硅介质层(53)，所述可变电容下电极(52)与第二高阻隔离电阻线(54)和第二直流驱动焊盘(55)依次连接。
4.根据权利要求1所述一种微机械可调滤波器，其特征在于，所述螺线管电感(4)通过电镀金或电镀铜工艺制作。
5.根据权利要求1所述一种微机械可调滤波器，其特征在于，所述梳齿电容(3)通过电镀金或电镀铜工艺制作。
6.根据权利要求1所述一种微机械可调滤波器，其特征在于，所述信号线(6)为微带线或共面波导形式的信号传输线结构。
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