CN107425249B - 面向物联网的硅基悬臂梁可重构siw带通滤波器 - Google Patents

面向物联网的硅基悬臂梁可重构siw带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向物联网的硅基悬臂梁可重构SIW带通滤波器，包括SIW带通滤波器、转接结构(3)和MEMS悬臂梁结构。SIW带通滤波器包括相互级联的SIW谐振腔(9)，相邻的SIW谐振腔之间存在耦合窗口(14)，MEMS悬臂梁结构设置于耦合窗口中。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，本发明通过MEMS悬臂梁结构很好的避免了需要依靠增加滤波器数量去控制电路的问题，并且MEMS悬臂梁结构的闭合所需要的电压较小也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悬臂梁(6)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

面向物联网的硅基悬臂梁可重构SIW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悬臂梁可重构SIW带通滤波器。
背景技术
近年来，随着物联网通信技术的发展，各种微波元件再次成为研究的热点，滤波器作为物联网通信中重要的器件，可以用来阻隔或者分离不同频段的信号。为了满足物联网通信技术高速发展的需求，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。而且随着微波毫米波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)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问的区域传播，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。尽管SIW技术有这样的优点，但是基于PCB技术或者LTCC技术的大功率SIW器件的应用仍然受限于其材料的热可靠性；对于SIW器件来说高的热缩率就意味着低的工作温度范围，而硅的热缩率非常小，大约只有，而且其热导率远远高于PCB和LTCC。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悬臂梁所组成的可动结构是典型的开关元件，MEMS悬臂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
本发明的目的是提供一种硅基悬臂梁可重构SIW带通滤波器，在SIW带通滤波器的基础上添加MEMS悬臂梁开关，以达到控制SIW带通滤波器通断的目的，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悬臂梁可重构SIW带通滤波器，包括SIW带通滤波器和MEMS悬臂梁结构；
所述SIW带通滤波器包括SIW结构，所述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；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，且金属通孔二与金属通孔一结构相同，相邻的SIW谐振腔之间未被金属通孔二占据的部分存在耦合窗口；
将耦合窗口所处位置两端的金属层移除，保留耦合窗口所处位置中部的金属层作为下金属层，且在金属层中移除耦合窗口其中一端的金属层后设置锚区，锚区与硅衬底固定连接；所述MEMS悬臂梁结构设置于耦合窗口中，所述MEMS悬臂梁结构包括MEMS悬臂梁，MEMS悬臂梁水平架设在锚区上，位于MEMS悬臂梁下侧的硅衬底上设有下拉电极，下拉电极位于锚区和下金属层之间，下拉电极包裹有氮化硅层，下金属层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悬臂梁可重构SIW带通滤波器滤波范围的调控是依靠MEMS悬臂梁进行的，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悬臂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悬臂梁的闭合所需要的电压较小也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悬臂梁可以实现快速的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悬臂梁可重构SIW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悬臂梁、7-锚区、8-下拉电极、9-SIW谐振腔、10-氮化硅层、11-金属通孔二、12-下金属层、13-二氧化硅层、14-耦合窗口。
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。
面向物联网的硅基悬臂梁可重构SIW带通滤波器，包括SIW带通滤波器、转接结构3和MEMS悬臂梁结构。
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，同时位于硅衬底1上表面和下表面的金属层5相互对称平行。图1中，SIW结构通过金属通孔二11分割成四个SIW谐振腔9，金属通孔二11处于两排对称平行的金属通孔一2之间。图1中，金属通孔二11有五列，金属通孔二11与金属通孔一2结构相同，相邻的SIW谐振腔9之间未被金属通孔二11占据的部分存在耦合窗口14。
如图2所示，将耦合窗口14所处位置两端的金属层5移除，保留耦合窗口14所处位置中部的金属层5作为下金属层12，且在金属层5中移除耦合窗口14其中一端的金属层后设置锚区7，锚区7与硅衬底1固定连接。MEMS悬臂梁结构设置于耦合窗口14中，MEMS悬臂梁结构包括MEMS悬臂梁6，MEMS悬臂梁6水平架设在锚区7上，位于MEMS悬臂梁6下侧的硅衬底1上设有下拉电极8，下拉电极8位于锚区7和下金属层12之间，下拉电极8包裹有氮化硅层10，包裹氮化硅层的目的是为了防止MEMS悬臂梁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。下金属层12上包裹有二氧化硅层13，包裹二氧化硅层主要是为了防止MEMS悬臂梁6在下拉状态时和下拉电极8直接接触，因为如果两者直接接触，会使两者电势相同，MEMS悬臂梁6就不能再维持其下拉状态。
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。
本发明面向物联网的硅基悬臂梁可重构SIW带通滤波器滤波范围的调控是依靠MEMS悬臂梁进行的，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悬臂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悬臂梁的闭合所需要的电压较小也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悬臂梁可以实现快速的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。
硅基悬臂梁可重构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的通孔内壁形成金属通孔一2和金属通孔二11，金属通孔一2和金属通孔二11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悬臂梁6电极板位置的光刻胶，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和悬臂梁下方金属层12，下拉电极的厚度为2μm；
(6)在MEMS悬臂梁6的下金属层12上方淀积一层二氧化硅，其厚度为1μm；
(7)淀积氮化硅在下拉电极8上，形成下拉电极8的覆盖层氮化硅层10，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悬臂梁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悬臂梁6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牺牲层上和光刻胶以及锚区7上方蒸发生长Au层，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悬臂梁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悬臂梁6，MEMS悬臂梁6的宽度为200μm，长度为400μm。
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悬臂梁可重构SIW带通滤波器，其特征在于：包括SIW带通滤波器和MEMS悬臂梁结构；
所述SIW带通滤波器包括SIW结构，所述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；所述SIW结构通过金属通孔二(11)分割成若干个SIW谐振腔(9)，金属通孔二(11)处于两排对称平行的金属通孔一(2)之间，且金属通孔二(11)与金属通孔一(2)结构相同，相邻的SIW谐振腔(9)之间未被金属通孔二(11)占据的部分存在耦合窗口(14)；
将耦合窗口(14)所处位置两端的金属层(5)移除，保留耦合窗口(14)所处位置中部的金属层(5)作为下金属层(12)，且在金属层(5)中移除耦合窗口(14)其中一端的金属层后设置锚区(7)，锚区(7)与硅衬底(1)固定连接；所述MEMS悬臂梁结构设置于耦合窗口(14)中，所述MEMS悬臂梁结构包括MEMS悬臂梁(6)，MEMS悬臂梁(6)水平架设在锚区(7)上，位于MEMS悬臂梁(6)下侧的硅衬底(1)上设有下拉电极(8)，下拉电极(8)位于锚区(7)和下金属层(12)之间，下拉电极(8)包裹有氮化硅层(10)，下金属层(12)上包裹有二氧化硅层(13)；
硅基悬臂梁可重构SIW带通滤波器滤波范围的调控是依靠MEMS悬臂梁(6)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，通过控制MEMS悬臂梁(6)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，MEMS悬臂梁(6)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。
2.如权利要求1所述的面向物联网的硅基悬臂梁可重构SIW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悬臂梁可重构SIW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悬臂梁可重构SIW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悬臂梁可重构SIW带通滤波器，其特征在于：所述锚区(7)是用多晶硅制作的。
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