CN107196025B - 面向物联网硅基siw带金属柱固支梁可重构带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向物联网的硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器，包括SIW带通滤波器、转接结构(3)和带金属柱的MEMS固支梁结构。带金属柱的MEMS固支梁结构包括MEMS固支梁(6)，MEMS固支梁依靠锚区(7)的支持悬浮在硅衬底(1)之上，MEMS固支梁的下表面上设置有金属柱(11)，硅衬底对应金属柱的位置开设有孔(14)，且该孔(14)穿过硅衬底(1)上的氮化硅层(10)和上表面金属层(5)进入硅衬底(1)中。本发明只需要通过控制MEMS固支梁的状态就能够改变滤波器通带的中心频率，达到切换滤波器通带中心频率的目的，MEMS固支梁可以实现快速的DOWN态和UP态的转换，可以有效地实现微波电路中对滤波器滤波范围的控制。

Description

面向物联网硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器

技术领域

本发明属于微电子机械系统的技术领域，具体涉及一种面向物联网的硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器。

背景技术

近年来，随着物联网通信技术获得了高速的发展，微波滤波器技术作为物联网通信技术中重要的器件之一，再次成为研究的热点，滤波器可以用来阻隔或者分离不同频段的信号。为了满足现代便携无线通信技术的高速发展需求，微波滤波器不仅要具有高品质因数，大功率容量等优点，更要具有低功耗，小型化，高集成度的优点。而且随着物联网系统通信业务的日益繁多，使得本来就有限的频谱资源变得更加紧张，为了更有效地利用频谱资源，扩频、跳频、动态频率分配等技术得到了广泛的应用，频率可调滤波器作为这些技术的关键器件也越来越受到重视。

基片集成波导(SIW)技术的出现为上述问题提供了解决方案，SIW由两排线性紧密排列的金属通孔或金属圆柱嵌入基片中构成，SIW中的电磁波被限制在基片的上下两个金属面和两列金属通孔之间的区域传播，形成导波结构，所以SIW不仅继承了传统波导损耗低，功率容量大，品质因数高等优点，还具有低剖面，小尺寸等优点，便于与其他微波电路相集成。另外，用硅制作的SIW器件可以很容易地与其他电路或者硅基器件集成。由于硅的介电常数相对于PCB或者LTCC衬底材料的介电常数高很多，所以硅基的SIW可以用在高频的器件上，并且可以有效地缩小器件的体积。

由MEMS固支梁所组成的可动结构是典型的可重构元件，MEMS固支梁几乎不消耗直流电流，所以其在拥有高可靠性和卓越的线性度的同时还有低功耗的优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向物联网的硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器，在SIW带通滤波器的基础上添加带金属柱的MEMS固支梁，以在SIW带通滤波器各个谐振腔中引入可动电容，调节各个谐振器的谐振频率，最终实现滤波器通带的可重构目的，可以控制滤波器的工作动态。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种面向物联网的硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器，包括SIW带通滤波器和MEMS固支梁结构；

所述SIW带通滤波器包括SIW结构，SIW结构包括作为介质的硅衬底，硅衬底的上表面和下表面均电镀有金属层，所述硅衬底和金属层中穿设有金属通孔一，且相邻金属通孔一中心轴之间的距离小于两倍的金属通孔一直径的长度，位于硅衬底上表面和下表面的金属层相互对称平行，且硅衬底上表面的金属层上设有氮化硅层；所述SIW结构通过金属通孔二分割成若干个SIW谐振腔，金属通孔二处于两排对称平行的金属通孔一之间，且金属通孔一与金属通孔二结构相同；

所述MEMS固支梁结构设置于SIW谐振腔的氮化硅层上，MEMS固支梁结构包括MEMS固支梁，MEMS固支梁两端均设有锚区，MEMS固支梁通过锚区架设在硅衬底的氮化硅层上，且锚区与氮化硅层固定连接；MEMS固支梁的下表面上设置有直径为200μm、长度为24μm金属柱，且所述硅衬底对应金属柱的位置开设有直径为202μm、深度为24μm的孔，且孔穿过硅衬底上的氮化硅层和上表面金属层进入硅衬底中，所述金属柱伸入孔中；MEMS固支梁下侧的氮化硅层上设有下拉电极，且下拉电极上包裹有二氧化硅层。

进一步的，还包括转接结构，转接结构为加载在微带线与SIW带通滤波器之间的转换结构，转接结构一端与微带线连接，转接结构另一端与SIW带通滤波器连接，转接结构与微带线连接的端口与微带线宽度相等，转接结构与SIW带通滤波器连接的端口的宽度采用的是与SIW带通滤波器特征阻抗值相同的微带线的宽度。

进一步的，所述转接结构长度为SIW带通滤波器中心频率处的波长的四分之一。

进一步的，所述微带线的特征阻抗为50欧姆。

进一步的，所述锚区是用多晶硅制作的。

本发明的有益效果为：

本发明面向物联网的硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器通带的可重构的控制是依靠带金属柱的固支梁进行的，在一些特定的需要控制无源滤波器通带中心频率频繁切换的电路中，如果该电路中应用了本发明中所述的可重构SIW带通滤波器，只需要通过控制MEMS固支梁的状态就能够改变滤波器通带的中心频率，达到切换滤波器通带中心频率的目的，这就很好的避免了在电路中需要依靠增加不同中心频率的滤波器数量去控制电路的问题，并且MEMS固支梁的闭合所需要的电压为外加电压，又有绝缘层阻隔滤波器电路，所以基本不会影响电路的正常工作，能够有效地降低电路控制的功耗，MEMS固支梁可以实现快速的DOWN态和UP态的转换，可以有效地实现微波电路中对滤波器滤波范围的控制。

附图说明

图1是本发明面向物联网的硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器的结构俯视示意图；

图2是图1中B-B’向的剖面示意图；

图3是图1中A-A’向的剖面示意图。

附图标记说明

1-硅衬底、2-金属通孔一、3-转接结构、4-微带线、5-金属层、6-MEMS固支梁、7-锚区、8-下拉电极、9-SIW谐振腔、10-氮化硅层、11-金属柱、12-引线、13-金属通孔二、14-孔、15-二氧化硅层。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

面向物联网的硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器，包括SIW带通滤波器、MEMS固支梁结构和转接结构3；

如图1所示，SIW带通滤波器包括SIW结构，SIW结构包括作为介质的硅衬底1，硅衬底1的上表面和下表面均电镀有金属层5，硅衬底1和金属层5中穿设有金属通孔一2，且相邻金属通孔一2中心轴之间的距离小于两倍的金属通孔一2直径的长度，这样是为了防止电磁波泄露。位于硅衬底1上表面和下表面的金属层5相互对称平行，且硅衬底1上表面的金属层5上设有氮化硅层10。图1中，SIW结构通过金属通孔二13分割成四个SIW谐振腔9，金属通孔二13处于两排对称平行的金属通孔一2之间，且金属通孔一2与金属通孔二13结构相同，相邻的SIW谐振腔9之间未被金属通孔二13占据的部分存在耦合窗口。

如图2所示，MEMS固支梁结构设置于SIW谐振腔9的氮化硅层10上，MEMS固支梁结构包括MEMS固支梁6，MEMS固支梁6两端均设有用多晶硅制作的锚区7，MEMS固支梁6通过锚区7架设在硅衬底1的氮化硅层10上，且锚区7与氮化硅层10固定连接。MEMS固支梁6的下表面上设置有直径为200μm、长度为24μm金属柱11，硅衬底1对应金属柱11的位置开设有直径为202μm、深度为24μm的孔14，且孔14穿过硅衬底1上的氮化硅层10和上表面金属层5进入硅衬底1中。金属柱11伸入孔14中，且金属柱11的底端与孔14的底端存在间隙，金属柱11可以随着MEMS固支梁6上下移动。MEMS固支梁6下侧的氮化硅层10上设有下拉电极8，且下拉电极8上包裹有二氧化硅层15。裹二氧化硅层15的目的是为了防止MEMS固支梁6与下拉电极8的直接接触，因为如果两者直接接触，会使两者电势相同。图1中，每个SIW谐振腔9中均采用了六个MEMS固支梁6，且这六个MEMS固支梁6分为两列，每列三个，六个MEMS固支梁6相互对称平行。每一列MEMS固支梁6下的下拉电极8均由一条引线12串联起来，引线12制作在氮化硅层10上，以便施加下拉电压。

转接结构3为加载在微带线4与SIW带通滤波器之间的转换结构，转接结构3一端与微带线4连接，转接结构3另一端与SIW带通滤波器连接。转接结构3与微带线4连接的端口与微带线4宽度相等，微带线4的特征阻抗为50欧姆。转接结构3与SIW带通滤波器连接的端口的宽度采用的是与SIW带通滤波器特征阻抗值相同的微带线的宽度。转接结构3长度为SIW带通滤波器中心频率处的波长的四分之一。

本发明硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器中MEMS固支梁6依靠锚区7的支持悬浮在硅衬底1之上，这是典型的MEMS固支梁结构，MEMS固支梁6的下表面上设置有金属柱11，硅衬底1对应金属柱11的位置开设有直径为202μm深度为24μm的孔14，且孔14穿过硅衬底1上的氮化硅层10和金属层5进入硅衬底1中，因此金属柱11可以随着MEMS固支梁6上下移动。当下拉电极8上没有电压存在时，MEMS固支梁6不能被下拉，SIW带通滤波器保持原有的通带特性；当下拉电极8上有电压存在MEMS固支梁6被下拉时，金属柱11能够伸入孔14中，能够改变金属柱11与SIW谐振腔9的下表面金属层5之间形成的电容的大小，电容大小的改变会改变SIW谐振腔9的谐振频率，进而改变SIW带通滤波器的通带范围，实现SIW带通滤波器的可重构。

硅基固支梁可重构SIW带通滤波器的制备方法包括以下几个步骤：

(1)准备高阻型硅衬底1，其厚度为400μm；

(2)采用激光对高阻型硅衬底1进行打孔，至完全打穿；

(3)对打孔的硅衬底1进行镀金，在硅衬底1的通孔内壁表面形成金属通孔一2和金属通孔二13，金属通孔一2和金属通孔二13直径均为180μm，硅衬底1上下表面均设置一层薄的金属层5，其厚度为3μm；

(4)在金属层5特定位置涂覆一层光刻胶，该特定位置指的就是微带线4和转换结构3所在的位置，光刻没有涂覆光刻胶的金属层和去除微带线4和转换结构3所在位置的光刻胶，形成微带线4和转接结构3；

(5)在SIW滤波器谐振腔的上表面淀积一层氮化硅层10，在需要制作孔14的位置，从氮化硅层10开始打出直径为200μm深度为24μm的孔14，并在打孔后的滤波器上表面除了孔14外的位置旋涂一层光刻胶；

(6)在需要制作下拉电极8的位置周围都涂覆一层光刻胶，在此基础上去除需要制作MEMS固支梁6电极板位置和引线12位置的光刻胶，这里的光刻胶是本步骤5中刚刚涂覆的。然后淀积一层Al，去除下拉电极8周围剩余的那些还没有被去除的光刻胶以及光刻胶上的Al，形成下拉电极8和引线12，下拉电极的厚度为2μm；

(7)淀积二氧化硅在下拉电极8上，形成下拉电极8的覆盖层二氧化硅层15，其厚度为1μm；

(8)利用CVD技术在制作锚区7的位置沉积多晶硅，通过干法刻蚀技术刻蚀锚区7处的多晶硅，保留MEMS固支梁6的锚区7位置的多晶硅，多晶硅锚区厚度为4μm；

(9)通过旋涂方式在需要制作MEMS固支梁6和金属柱11的位置形成PMGI牺牲层，在PMGI牺牲层周围除去锚区7的其他位置涂覆光刻胶；

(10)在PMGI牺牲层上打孔，预留金属柱11的生长位置，在PMGI牺牲层上和光刻胶以及锚区7上方蒸发生长Au层，蒸发生长的Au会形成金属柱11，Au层会与锚区7相接并覆盖PMGI牺牲层和光刻胶层；

(11)将光刻胶上方的Au层全部刻蚀，仅保留形成MEMS固支梁6的位置上方的Au层，保留下来的金层宽度为200μm，长度为400μm，随后去除步骤9当中涂覆的，除了PMGI牺牲层和锚区7以外的所有地方都涂覆的光刻胶；

(12)释放PMGI牺牲层，被保留下来的Au层会形成悬浮的MEMS固支梁6以及固支梁6下方的金属柱11，MEMS固支梁6的宽度为200μm，长度为400μm，金属柱11的直径为200μm，长度为24μm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种面向物联网的硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器，其特征在于：包括SIW带通滤波器和MEMS固支梁结构；

所述SIW带通滤波器包括SIW结构，SIW结构包括作为介质的硅衬底(1)，硅衬底(1)的上表面和下表面均电镀有金属层(5)，所述硅衬底(1)和金属层(5)中穿设有金属通孔一(2)，且相邻金属通孔一(2)中心轴之间的距离小于两倍的金属通孔一(2)直径的长度，位于硅衬底(1)上表面和下表面的金属层(5)相互对称平行，且硅衬底(1)上表面的金属层(5)上设有氮化硅层(10)；所述SIW结构通过金属通孔二(13)分割成若干个SIW谐振腔(9)，金属通孔二(13)处于两排对称平行的金属通孔一(2)之间，且金属通孔一(2)与金属通孔二(13)结构相同；

所述MEMS固支梁结构设置于SIW谐振腔(9)的氮化硅层(10)上，MEMS固支梁结构包括MEMS固支梁(6)，MEMS固支梁(6)两端均设有锚区(7)，MEMS固支梁(6)通过锚区(7)架设在硅衬底(1)的氮化硅层(10)上，且锚区(7)与氮化硅层(10)固定连接；MEMS固支梁(6)的下表面上设置有直径为200μm、长度为24μm金属柱(11)，且所述硅衬底(1)对应金属柱(11)的位置开设有直径为202μm、深度为24μm的孔(14)，且孔(14)穿过硅衬底(1)上的氮化硅层(10)和上表面金属层(5)进入硅衬底(1)中，所述金属柱(11)伸入孔(14)中；MEMS固支梁(6)下侧的氮化硅层(10)上设有下拉电极(8)，且下拉电极(8)上包裹有二氧化硅层(15)；

硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器中MEMS固支梁(6)依靠锚区(7)的支持悬浮在硅衬底(1)之上，金属柱(11)可以随着MEMS固支梁(6)上下移动，当下拉电极(8)上没有电压存在时，MEMS固支梁(6)不能被下拉，SIW带通滤波器保持原有的通带特性；当下拉电极(8)上有电压存在MEMS固支梁(6)被下拉时，金属柱(11)能够伸入孔(14)中，能够改变金属柱(11)与SIW谐振腔(9)的下表面金属层(5)之间形成的电容的大小，电容大小的改变会改变SIW谐振腔(9)的谐振频率，进而改变SIW带通滤波器的通带范围，实现SIW带通滤波器的可重构。

2.如权利要求1所述的面向物联网的硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器，其特征在于：还包括转接结构(3)，转接结构(3)为加载在微带线(4)与SIW带通滤波器之间的转换结构，转接结构(3)一端与微带线(4)连接，转接结构(3)另一端与SIW带通滤波器连接，转接结构(3)与微带线(4)连接的端口与微带线(4)宽度相等，转接结构(3)与SIW带通滤波器连接的端口的宽度采用的是与SIW带通滤波器特征阻抗值相同的微带线的宽度。

3.如权利要求2所述的面向物联网的硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器，其特征在于：所述转接结构(3)长度为SIW带通滤波器中心频率处的波长的四分之一。

4.如权利要求2所述的面向物联网的硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器，其特征在于：所述微带线(4)的特征阻抗为50欧姆。

5.如权利要求1所述的面向物联网的硅基SIW带金属柱固支梁可重构带通滤波器，其特征在于：所述锚区(7)是用多晶硅制作的。