CN108461878B - 一种带外选择性可调毫米波滤波器 - Google Patents

一种带外选择性可调毫米波滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带外选择性可调毫米波滤波器，包括：硅腔谐振单元5、硅腔谐振单元6以及选择性可调单元7，所述硅腔谐振单元5和硅腔谐振单元6分别由贯穿于上层金属层1、高阻硅介质层2以及底层金属层3的深硅刻蚀通孔501和601阵列排布组成，选择性可调单元7由刻蚀在底层金属层3上的半波长缺陷环谐振单元701、半波长缺陷环谐振单元702和贯穿部分高阻硅介质层2以及底层金属层3的浅硅刻蚀通孔703组成，选择性可调单元7所采用电路结构、通孔布局和工艺层设计，使得该毫米波滤波器高频和低频带外抑制度分别单独可调互不影响，且90度旋转其方向可以展宽该毫米波滤波器带宽，增大高频带外抑制度，使得该毫米波滤波器具有优良可调的带外抑制度。

Description

一种带外选择性可调毫米波滤波器
技术领域
本发明涉及微波毫米波电路、微电子和微机电系统交叉领域，特别是涉及一种带外选择性可调毫米波滤波器。
背景技术
滤波器在射频／微波系统中起着选频滤波的重要作用，主要性能指标有差损、带宽、带外选择性以及电路尺寸等。随着频率资源日益紧张，带外选择性（陡峭度）成为关键设计难点。传统的腔体和ＬＣ滤波器体积大、制造成本高并且不易与多芯片互连集成。
利用硅微机电系统技术加工实现的硅基滤波器在毫米波频段具有高Q值、低差损、小体积的明显优势，可以与常规单片微波集成电路(Monolithic Microwave IntegratedCircuit, MMIC)工艺相兼容等优点，不仅成为各类电子器件的发展趋势，也成为解决毫米波收发组件单片化的最佳手段。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种带外选择性可调毫米波滤波器，缩小差损，并且在不增加电路级数增大电路尺寸的同时，提高带外选择性，并可单独调节高低频处带外选择性。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种带外选择性可调毫米波滤波器，包括：在上层金属层1、高阻硅介质层2以及底层金属层3上形成的硅腔谐振单元5、硅腔谐振单元6以及选择性可调单元7，所述上层金属层1位于高阻硅介质层2上方，所述底层金属层3位于高阻硅介质层2下方；
所述硅腔谐振单元5由贯穿于上层金属层1、高阻硅介质层2以及底层金属层3的深硅刻蚀通孔501阵列排布组成，深硅刻蚀通孔501的半径R、深硅刻蚀通孔501之间的间隙Rg、深硅刻蚀通孔501的阵列排布形状共同决定硅腔谐振单元5的谐振频率和差损；
所述硅腔谐振单元6由贯穿于上层金属层1、高阻硅介质层2以及底层金属层3的深硅刻蚀通孔601阵列排布组成，深硅刻蚀通孔601的半径R、深硅刻蚀通孔601之间的间隙Rg、深硅刻蚀通孔601的阵列排布形状共同决定硅腔谐振单元6的谐振频率和差损；
所述选择性可调单元7由刻蚀在底层金属层3上的半波长缺陷环谐振单元701、半波长缺陷环谐振单元702和贯穿部分高阻硅介质层2以及底层金属层3的浅硅刻蚀通孔703组成，其中半波长缺陷环谐振单元701决定该毫米波滤波器通带外低频处抑制度，半波长缺陷环谐振单元702决定该毫米波滤波器通带外高频处抑制度，浅硅刻蚀通孔703组成的阵列用于隔绝半波长缺陷环谐振单元701和半波长缺陷环谐振单元702之间的电磁耦合，使得高频和低频带外抑制度单独可调互不影响，浅硅刻蚀通孔703的半径r、浅硅刻蚀通孔703之间的间隙rg共同决定抗耦合程度；
90度旋转选择性可调单元7，使得半波长缺陷环谐振单元701和702开口方向由左右转为上下，浅硅刻蚀通孔703阵列方向由垂直转为水平可以在通带内高频处产生一个传输极点，展宽该毫米波滤波器带宽的同时增大高频带外抑制度。
在本发明一个较佳实施例中，所述带外选择性可调毫米波滤波器与外界系统通过CPW共面波导传输线101形成的输入输出馈线相连。
在本发明一个较佳实施例中，所述CPW共面波导传输线101的阻抗为50欧姆。
在本发明一个较佳实施例中，所述输入输出馈线与硅腔谐振单元5和硅腔谐振单元6通过位于上层金属层1的缺陷耦合片102相连，缺陷耦合片102的尺寸决定馈线与硅腔谐振单元5和6之间的耦合强度。
在本发明一个较佳实施例中，所述硅腔谐振单元5与硅腔谐振单元6通过耦合孔4耦合，耦合孔4通过摘除贯穿于上层金属层1、高阻硅介质层2以及底层金属层3的部分深硅刻蚀通孔501和深硅刻蚀通孔601形成，摘除个数决定硅腔谐振单元之间的耦合强度。
在本发明一个较佳实施例中，所述上层金属层1、高阻硅介质层2以及底层金属层3经过刻蚀、溅射、镀金和键合工艺流程后形成。
在本发明一个较佳实施例中，所述选择性可调单元7所采用电路结构、通孔布局和工艺层设计，在不增加电路级数增大电路尺寸的同时，使得该毫米波滤波器高频和低频带外抑制度分别单独可调互不影响，且90度旋转其方向可以展宽该毫米波滤波器带宽，增大高频带外抑制度。
在本发明一个较佳实施例中，所述带外选择性可调毫米波滤波器采用微机电对准键合工艺加工实现，其三维堆叠结构和电路结构使得该毫米波滤波器体积极小且易于与半导体集成电路工艺集成，采用高阻硅介质和硅腔谐振器单元使得该毫米波滤波器具有差损小的优点，引入选择性可调单元7使得该毫米波滤波器具有优良可调的带外抑制度。
本发明的有益效果是：本发明指出的一种带外选择性可调毫米波滤波器，采用通孔形成的硅腔作为谐振器，具有差损小的优点，并且在不增加电路级数增大电路尺寸的同时，通过加载选择性可调单元提高带外选择性，并可单独调节高低频处带外选择性，具有优良可调的带外抑制度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明一种带外选择性可调毫米波滤波器一较佳实施例的顶面结构示意图；
图2是本发明一种带外选择性可调毫米波滤波器一较佳实施例的底面结构示意图；
图3是本发明一种带外选择性可调毫米波滤波器一较佳实施例的侧面结构示意图；
图4是本发明一种带外选择性可调毫米波滤波器不引入选择性可调单元7的频率响应图；
图5是本发明实施例1的频率响应图（半波长缺陷环谐振单元701和702开口向右）；
图6是本发明实施例2的频率响应图（半波长缺陷环谐振单元701和702开口向下）。
具体实施方式
下面将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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1~图6，本发明实施例包括：
上层金属层1通过在高阻硅介质层2上表面沉积电镀金属形成，底层金属层3通过在高阻硅介质层2下表面沉积电镀金属形成，镀金厚度为10um，材料为金，高阻硅介质层2采用500um厚的高阻硅。
该毫米波滤波器主要包括硅腔谐振单元5、硅腔谐振单元6以及选择性可调单元7；硅腔谐振单元5由贯穿于上层金属层1、高阻硅介质层2以及底层金属层3的深硅刻蚀通孔501阵列排布组成，具有差损小的优点。
深硅刻蚀通孔501利用微机电干法刻蚀技术自上而下进行刻蚀，形成刻蚀腔，再通过溅射、电镀等工艺在侧壁沉积金形成，深硅刻蚀通孔501的半径R为160um，深硅刻蚀通孔501之间的间隙Rg为300 um，深硅刻蚀深度为520um，整个硅腔谐振单元5呈长方形（长1.5*高2.63mm），硅腔谐振单元6与硅腔谐振单元5具有相同的设计方法和电路尺寸。
选择性可调单元7由刻蚀在底层金属层3上的半波长缺陷环谐振单元701、半波长缺陷环谐振单元702和贯穿部分高阻硅介质层2以及底层金属层3的浅硅刻蚀通孔703组成，其中半波长缺陷环谐振单元701的尺寸决定该毫米波滤波器通带外低频处抑制度，实施例中701的长为2.5mm宽为30um，在通带外28.6GHz低频处产生一个传输零点；半波长缺陷环谐振单元702的尺寸决定该毫米波滤波器通带外高频处抑制度，实施例中702的长为1.8mm宽为30um，在通带外35GHz高频处产生一个传输零点，提高了带外抑制度；浅硅刻蚀通孔703组成的阵列用于隔绝半波长缺陷环谐振单元701和半波长缺陷环谐振单元702之间的电磁耦合，使得高频和低频处的传输零点分别单独可调且互不影响，从而使得带外抑制度可以单独调节，实施例中浅硅刻蚀通孔703的半径r为40 um、浅硅刻蚀通孔703之间的间隙rg为200um，浅硅刻蚀深度为110um；
通过90度旋转选择性可调单元7，使得半波长缺陷环谐振单元701和702开口方向由左右转为上下，浅硅刻蚀通孔703阵列方向由垂直转为水平可以在通带内34.5GHz高频处产生一个传输极点，展宽该毫米波滤波器带宽的同时增大高频带外抑制度（带外传输零点不变，带宽从33.3GHz展宽到34.8GHz）。
所述选择性可调毫米波滤波器与外界系统通过CPW共面波导传输线101形成的输入输出馈线相连，CPW共面波导传输线101的阻抗为50欧姆，信号线宽110um，间隙65um。输入输出馈线与硅腔谐振单元5和硅腔谐振单元6通过位于上层金属层1的缺陷耦合片102相连，缺陷耦合片102的尺寸为长0.6*高1mm，硅腔谐振单元5与硅腔谐振单元6通过耦合孔4耦合，耦合孔长度1.4mm。
本发明实施例仿真结果如图4、图5和图6所示，实线为S11（即回波损耗），虚线为S21（即插入损耗）。图4为没有引入选择性可调单元7的毫米波滤波器结果图，带外无传输零点，带外抑制度差；
图5为引入选择性可调单元7后的结果图，当半波长缺陷环谐振单元701和702开口向左或右时，只在通带两侧产生两个传输零点，带外抑制度提高且分别可调；
当半波长缺陷环谐振单元701和702开口向上或下时，如图6所示，通带内34.5GHz高频处产生一个传输极点，通带展宽（带宽从33.3GHz展宽到34.8GHz），带外传输零点位置未变，从而进一步提高了高频处的带外选择性。
该滤波器采用微机电对准键合工艺加工实现，其三维堆叠结构和电路结构使得该毫米波滤波器体积极小且易于与半导体集成电路工艺集成，整个电路尺寸仅为4 mm *3 mm*0.504mm。
上述仅为一个例子，若想得到不同通带和带外抑制度，可以根据具体实施方式调整不同参数，如可以调整硅腔谐振单元的尺寸得到不同谐振频率；调整半波长缺陷环谐振单元的长度和方向可以得到不同带外抑制度；调整耦合孔和缺陷耦合片的尺寸可以得到不同的带宽和差损；并且上层金属层和底层金属层所镀金属可以是金、铜等材料，上层高阻硅介质层和下层高阻硅介质层电阻率可变厚度可变；通孔形状也可以是圆形、方形或者多边形，选择比较灵活。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种带外选择性可调毫米波滤波器，其特征在于，包括：在上层金属层(1)、高阻硅介质层(2)以及底层金属层(3)上形成的硅腔谐振单元(5)、硅腔谐振单元(6)以及选择性可调单元(7)，所述上层金属层(1)位于高阻硅介质层(2)上方，所述底层金属层(3)位于高阻硅介质层(2)下方；
所述硅腔谐振单元(5)由贯穿于上层金属层(1)、高阻硅介质层(2)以及底层金属层(3)的深硅刻蚀通孔(501)阵列排布组成，深硅刻蚀通孔(501)的半径R、深硅刻蚀通孔(501)之间的间隙Rg、深硅刻蚀通孔(501)的阵列排布形状共同决定硅腔谐振单元(5)的谐振频率和差损；
所述硅腔谐振单元(6)由贯穿于上层金属层(1)、高阻硅介质层(2)以及底层金属层(3)的深硅刻蚀通孔(601)阵列排布组成，深硅刻蚀通孔(601)的半径R、深硅刻蚀通孔(601)之间的间隙Rg、深硅刻蚀通孔(601)的阵列排布形状共同决定硅腔谐振单元(6)的谐振频率和差损；
所述选择性可调单元(7)由刻蚀在底层金属层(3)上的半波长缺陷环谐振单元(701)、半波长缺陷环谐振单元(702)和贯穿部分高阻硅介质层(2)以及底层金属层(3)的浅硅刻蚀通孔(703)组成，其中半波长缺陷环谐振单元(701)决定该毫米波滤波器通带外低频处抑制度，半波长缺陷环谐振单元(702)决定该毫米波滤波器通带外高频处抑制度，浅硅刻蚀通孔(703)组成的阵列用于隔绝半波长缺陷环谐振单元(701)和半波长缺陷环谐振单元(702)之间的电磁耦合，使得高频和低频带外抑制度单独可调互不影响，浅硅刻蚀通孔(703)的半径r、浅硅刻蚀通孔(703)之间的间隙rg共同决定抗耦合程度；
90度旋转选择性可调单元(7)，使得半波长缺陷环谐振单元(701)和(702)开口方向由左右转为上下，浅硅刻蚀通孔(703)阵列方向由垂直转为水平可以在通带内高频处产生一个传输极点，展宽该毫米波滤波器带宽的同时增大高频带外抑制度。
2.根据权利要求1所述的带外选择性可调毫米波滤波器，其特征在于，所述带外选择性可调毫米波滤波器与外界系统通过CPW共面波导传输线101形成的输入输出馈线相连。
3.根据权利要求2所述的带外选择性可调毫米波滤波器，其特征在于，所述CPW共面波导传输线(101)的阻抗为50欧姆。
4.根据权利要求2所述的带外选择性可调毫米波滤波器，其特征在于，所述输入输出馈线与硅腔谐振单元(5)和硅腔谐振单元(6)通过位于上层金属层(1)的缺陷耦合片(102)相连，缺陷耦合片(102)的尺寸决定馈线与硅腔谐振单元(5)和(6)之间的耦合强度。
5.根据权利要求1所述的带外选择性可调毫米波滤波器，其特征在于，所述硅腔谐振单元(5)与硅腔谐振单元(6)通过耦合孔(4)耦合，耦合孔(4)通过摘除贯穿于上层金属层(1)、高阻硅介质层(2)以及底层金属层(3)的部分深硅刻蚀通孔(501)和深硅刻蚀通孔(601)形成，摘除个数决定硅腔谐振单元之间的耦合强度。
6.根据权利要求1所述的带外选择性可调毫米波滤波器，其特征在于，所述上层金属层(1)、高阻硅介质层(2)以及底层金属层(3)经过刻蚀、溅射、镀金和键合工艺流程后形成。
7.根据权利要求1所述的带外选择性可调毫米波滤波器，其特征在于，所述选择性可调单元(7)所采用电路结构、通孔布局和工艺层设计，在不增加电路级数增大电路尺寸的同时，使得该毫米波滤波器高频和低频带外抑制度分别单独可调互不影响，且90度旋转其方向可以展宽该毫米波滤波器带宽，增大高频带外抑制度。
8.根据权利要求1所述的带外选择性可调毫米波滤波器，其特征在于，所述带外选择性可调毫米波滤波器采用微机电对准键合工艺加工实现。
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