CN107171047B - 超宽可调谐振器 - Google Patents
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Abstract
超宽可调谐振器，涉及微波器件，本发明包括自上向下顺次设置的低阻硅电极、SOI执行器和金属化消逝模腔体部分，SOI执行器包括高阻硅底板和高阻硅环，高阻硅环的底面与高阻硅底板通过埋氧层隔离，高阻硅环的顶面通过绝缘材料层与低阻硅电极连接，在高阻硅底板的底面设置有第一金层；金属化消逝模腔体部分包括消逝模腔和刻蚀保留在消逝模腔中的谐振杆，消逝模腔的内表面和谐振杆的顶面覆盖有第二金层，在谐振杆的顶部的金层上方还设置有第一介质材料层，在消逝模腔内填充有介质材料。本发明实现了频率可调，而且低功耗、驱动快，没有迟滞效应，线性度好、精度与可靠性高。
Description
技术领域
本发明涉及微波器件，具体涉及一种可调协范围宽的可重构谐振器。
背景技术
微波滤波器一种关键的射频器件.滤去镜频干扰、衰减噪声、频分复用及在高性能的振荡、放大、倍频、混频电路中，都需要滤波器来实现。在通信、信号处理、雷达等各种电路系统中具有广泛用途。伴随着移动通信、电子对抗和导航技术的飞速发展，促使了包括滤波器在内的射频元器件的微型化和可集成化，因此对各种结构和性能的微波滤波器提出进一步的小体积、轻重量、低功耗的需求。在一些发达国家则是利用新材料和新技术来提高器件性能和集成度，同时，尽可能地降低成本，减小器件尺寸和降低功耗。
在现代的无线通信系统应用中，滤波器作为主要的组件之一，起着至关重要的作用，它在信号的传输过程中，通过自身的频率特性对传输信号进行必要的选择、滤除处理，以得到所需的频段信号，同时避免其它频段的信号以及外界信号的干扰。目前广泛采用的滤波器件包括石英晶体、陶瓷滤波器、表面声波(SAW)滤波器以及现在的体声波(FBAR)滤波器，它们虽然可以达到RF和工F滤波器所需的高Q值(300-10000)，但是它们都是片外(off-chip)分立元件，不能与IC电路集成，不利于通信系统的小型化和成本的降低，而MEMS滤波器由于具有小尺寸、低成本、低功耗、高线性度、与工IC工艺集成等优点，被认为是取代传统片外分立元件最好的选择之一，这可以大大提高系统的集成度，实现系统的小型化、便携化和降低系统的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种中心频率的超宽可调的谐振器。本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，超宽可调谐振器，包括自上向下顺次设置的低阻硅电极、SOI执行器和金属化消逝模腔体部分，
SOI执行器包括高阻硅底板和高阻硅环，高阻硅环的底面与高阻硅底板通过埋氧层隔离，高阻硅环的顶面通过绝缘材料层与低阻硅电极连接，在高阻硅底板的底面设置有第一金层；
金属化消逝模腔体部分包括消逝模腔和刻蚀保留在消逝模腔中的谐振杆，消逝模腔的内表面和谐振杆的顶面覆盖有第二金层，在谐振杆的顶部的金层上方还设置有第一介质材料层，在消逝模腔内填充有介质材料。
所述低阻硅电极具有一个凸台，凸台部分位于高阻硅底板上由高阻硅环环绕形成的槽内，凸台的表面覆盖有绝缘材料。
所述高阻硅环为中空的圆柱，所述凸台为圆柱形。
所述第一介质材料层和介质材料的材质为氮化硅、二氧化硅或氧化铪。
本发明的有益效果在于：
1、通过多晶硅电极与制动膜片之间加电压，实现膜片的形变，来改变膜片与谐振杆之间的间隙，则实现了频率可调，而且低功耗、驱动快，没有迟滞效应，线性度好、精度与可靠性高，射频技术兼容，批量生成成本低，也易于大规模制造以及与工IC电路集成，提升系统的集成度和性能。
2、通过增腔体内的介质材料，从而很大程度上提升可调谐范围，从而提高了可调率：
附图说明
图1是本发明的谐振器的结构拆分示意图。
图2是本发明的谐振器的工作原理模型图。
图3是本发明的谐振器的S11曲线图。
具体实施方式
本发明提出的谐振器是利用消逝模式谐振器，及腔体内填充的介质材料来实现的，利用消逝模式谐振器的高频、实现滤波器的高选择性和低功耗，通过执行器膜片的电制动来实现中心频率的超宽可调；
本发明通过执行器膜片的电制动，以及改变膜片与谐振杆之间的距离来实现频率的超宽可调。
本发明的超宽可调谐振器包括自上向下顺次设置的低阻硅电极1、SOI执行器和金属化消逝模腔体部分，SOI执行器包括高阻硅底板23和高阻硅环21，高阻硅环21的底面与高阻硅底板23通过埋氧层22隔离，高阻硅环21的顶面通过绝缘材料层10与低阻硅电极1连接，在高阻硅底板23的底面溅射有第一金层24；金属化消逝模腔体部分包括消逝模腔32和消逝模腔32中的谐振杆31，消逝模腔32的内表面和谐振杆31的顶面覆盖有第二金层33，在谐振杆31的顶部的金层上方还设置有第一介质材料层34，在消逝模腔32内填充有介质材料35。
所述低阻硅电极1具有一个凸台11，凸台11部分位于高阻硅底板24上由高阻硅环21环绕形成的槽内，凸台11的表面覆盖有绝缘材料。所述高阻硅环21为中空的圆柱，所述凸台11为圆柱形。
所述第一介质材料层34和介质材料35的材质为聚四氟乙烯、二氧化硅或氧化铪。
高阻硅环的高度为100um——500um，埋氧层的厚度为0.1um——4um，高阻硅底板的厚度为0.22um——50um。
所述谐振杆31为圆台状，高度1.2mm——1.6mm，顶部半径80um——200um。
所述消逝模腔32的形状为一个等腰梯形围绕第一轴线旋转一周所得的几何形状，所述第一轴线垂直于等腰梯形的两个平行边；谐振杆31的形状亦为圆台状，圆台状谐振杆的轴线与前述第一轴线重合。消逝模腔32的深度为1.2mm——1.6mm。
本发明包括低阻硅电极，具有电制动膜片的执行器，介质填充消逝模腔体以及腔体内的谐振杆，通过在硅电极与膜片之间加电压使膜片形变，改变谐振杆与膜片的距离，从而改变消逝模腔体的谐振频率；本发明在腔体内填充介质材料，增加了谐振器的可调范围，同时提升了结构的可靠性。
参见图1。图1中，自上而下顺次为(a)为低阻硅电极；(b)SOI执行器；(c)金属化消逝模式腔体部分。
SOI执行器包括高阻硅底板23和高阻硅环21，高阻硅环21的底面与高阻硅底板23通过埋氧层22隔离，高阻硅环21的顶面通过绝缘材料层10与低阻硅电极1连接，在高阻硅底板23的底面设置有第一金层24；
金属化消逝模腔体部分包括消逝模腔32和消逝模腔32中的谐振杆31，消逝模腔32的内表面和谐振杆31的顶面覆盖有第二金层33，在谐振杆31的顶部的金层上方还设置有第一介质材料层34，在消逝模腔32内填充有介质材料35。低阻硅电极1具有一个凸台11，凸台11部分位于高阻硅底板24上由高阻硅环21环绕形成的槽内，凸台11的表面覆盖有绝缘材料。
高阻硅环21为中空的圆柱，所述凸台11为圆柱形。所述第一介质材料层34和介质材料35的材质为材质为聚四氟乙烯、二氧化硅或氧化铪。
所述消逝模腔32的形状为一个等腰梯形围绕第一轴线旋转一周所得的几何形状，所述第一轴线垂直于等腰梯形的两个平行边；谐振杆31的形状亦为圆台状，圆台状谐振杆的轴线与前述第一轴线重合。
对消逝模腔32的另一种描述方式为，消逝模腔32与谐振杆31共同构成一个倒置的圆台(即上方的顶面半径大于下方的底面半径)，称为第一圆台；置于消逝模腔内的谐振杆31的形状亦为圆台状，圆台状谐振杆的轴线与前述第一圆台的轴线重合。第一圆台包含了填充于消逝模腔中的介质材料35、第一介质材料层34、谐振杆31和第二金层33。
凸台的低阻硅电极可采用低阻硅刻蚀或者芯片与芯片键合。
低阻硅电极上淀积的绝缘层材料可采用parylene(聚对二甲苯)；
SOI执行器的硅为高阻硅，埋氧层(box层)厚度0.1um～4um，顶层硅厚度0.22～50um，体硅厚度100～500um；
SOI执行器制备工艺为：
1、深硅刻蚀SOI的体硅，刻蚀埋氧层；
2、在SOI顶层硅的背面生长一层金厚度0.1～1um；
3、SOI顶层硅背面的金刻蚀传输线；
4、刻蚀后的金上生长一层介质材料如：氮化硅，二氧化硅，氧化铪等与半导体硅热匹配的介质材料，厚度0.1um～2um；
5、刻蚀介质材料；
6、电镀金保证电镀金的厚度与介质材料的厚度一致；
消逝模式腔体材料采用高阻硅，刻蚀方法为湿法刻蚀，腔体的谐振频率：
1、L0谐振器的固有等效电感；
2、C0谐振器的固有等效电容；
3、Cff谐振杆的震动膜片构成边缘电容；
4、Cpp谐振杆与震动膜片构成的平板电容；
5、μ0：磁介电常数，π：圆周率，∈0：真空介电常数；∈d：填充介质的介电常数；dmin：填充介质的厚度；K1：与a/b相关的与比例系数，当时，K1≈2.78；6、a、b、h分别为谐振杆的半径，谐振腔边长的一半，以及谐振杆的高度刻蚀出来的腔体生长一层金，金的厚度要求3-5*Δ(为趋夫深度：δ：金的电导率，f0：谐振腔的谐振频率)；腔体内填充介质材料，当介电系数增加初始电容越大，初始频率越低，而最高频率由膜片震动形成的空气间隙决定，同时介质材料可以提升加工的可靠性，因此由可知：介电常数越大频率越低，dmin越小频率越低，而在高频边频则由空气介质决定，填充介质则不会改变高频的边频，则可调率
增加；
执行器与消逝模腔体键合，硅电极组装在执行器的凹形里面，最后消逝模式腔体谐振器如图2。
Claims (8)
1.超宽可调谐振器，其特征在于，包括自上向下顺次设置的低阻硅电极(1)、SOI执行器和金属化消逝模腔体部分，
SOI执行器包括高阻硅底板(23)和高阻硅环(21)，高阻硅环(21)的底面与高阻硅底板(23)通过埋氧层(22)隔离，高阻硅环(21)的顶面通过绝缘材料层(10)与低阻硅电极(1)连接，在高阻硅底板(23)的底面溅射有第一金层(24)；
金属化消逝模腔体部分包括消逝模腔(32)和消逝模腔(32)中的谐振杆(31)，消逝模腔(32)的内表面和谐振杆(31)的顶面覆盖有第二金层(33)，在谐振杆(31)的顶部的金层上方还设置有第一介质材料层(34)，在消逝模腔(32)内填充有介质材料(35)；
低阻硅电极(1)和第一金层(24)之间设置电压，实现第一金层(24)的形变，来改变第一金层(24)与谐振杆(31)之间的间隙。
2.如权利要求1所述的超宽可调谐振器，其特征在于，所述低阻硅电极(1)具有一个凸台(11)，凸台(11)部分位于高阻硅底板(23)上由高阻硅环(21)环绕形成的槽内，凸台(11)的表面覆盖有绝缘材料。
3.如权利要求2所述的超宽可调谐振器，其特征在于，所述高阻硅环(21)为中空的圆柱，所述凸台(11)为圆柱形。
4.如权利要求1所述的超宽可调谐振器，其特征在于，所述第一介质材料层(34)和介质材料(35)的材质为聚四氟乙烯、二氧化硅或氧化铪。
5.如权利要求2所述的超宽可调谐振器，其特征在于：
高阻硅环的高度为100um——500um，埋氧层的厚度为0.1um——4um，高阻硅底板的厚度为0.22um——50um。
6.如权利要求1所述的超宽可调谐振器，其特征在于，所述谐振杆(31)为圆台状，高度1.2mm——1.6mm，顶部半径80um——200um。
7.如权利要求1所述的超宽可调谐振器，其特征在于，所述消逝模腔(32)的形状为一个等腰梯形围绕第一轴线旋转一周所得的几何形状，所述第一轴线垂直于等腰梯形的两个平行边；谐振杆(31)的形状亦为圆台状，圆台状谐振杆的轴线与前述第一轴线重合。
8.如权利要求1所述的超宽可调谐振器，其特征在于，消逝模腔(32)的深度为1.2mm——1.6mm。
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