CN111463530B - 一种带宽可调谐硅基滤波芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带宽可调谐硅基滤波芯片，包括：n个硅腔谐振单元，每个硅腔谐振单元包括上下依次设置的第一金属层、高阻硅介质层和第二金属层；槽线式双阻带谐振器，分布在单个硅腔谐振单元的第一金属层上或者一行上相邻两个硅腔谐振单元的第一金属层相接处，分别包括第一槽线和第二槽线，且第二槽线的一端与所述第一槽线的中点相接；可调谐元件，分布在第一金属层上，且分别与第一槽线和第二槽线的末端对应，所述可调谐元件包括但不限于单个单刀多掷开关芯片和多个单刀单掷封装开关。通过上述方式，本发明所述的带宽可调谐硅基滤波芯片，体积小，Q值高，损耗小，提高了带外抑制度，实现了硅基滤波芯片的带宽调谐功能。

Description

一种带宽可调谐硅基滤波芯片

技术领域

本发明涉及滤波电路技术领域，特别是涉及一种带宽可调谐硅基滤波芯片。

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，具体的，滤波器可使某段频率的电信号通过，而对其他频率进行阻拦。为实现宽频谱覆盖，滤波器通常采用各频段均单独设计或宽带设计的方法实现，但是每一个频段都单独进行设计，将导致应用终端的体积增大，成本提高，而宽带设计则会导致损耗增加、效率降低以及性能恶化。

可调滤波器能够根据工作条件自适应的调节滤波器的工作频率或带宽，可以实现单器件多功能应用，成为现今滤波器的研究热点之一，但现有可调滤波器存在体积大、Q值低、带外抑制度差、损耗大、不易实现多芯片集成等问题，影响了滤波器在小型化芯片化方面的发展，需要改进。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种带宽可调谐硅基滤波芯片，缩小体积，减低损耗，提高带外抑制度，并进行带宽调谐。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种带宽可调谐硅基滤波芯片，包括：

n个硅腔谐振单元，每个硅腔谐振单元包括上下依次设置的第一金属层、高阻硅介质层和第二金属层；

槽线式双阻带谐振器，分布在单个硅腔谐振单元的第一金属层上或者一行上相邻两个硅腔谐振单元的第一金属层相接处，分别包括第一槽线和第二槽线，且第二槽线的一端与所述第一槽线的中点相接；

可调谐元件，分布在第一金属层上，且分别与第一槽线和第二槽线的末端对应，所述可调谐元件包括但不限于单个单刀多掷开关芯片和多个单刀单掷封装开关。

在本发明一个较佳实施例中，所述硅腔谐振单元的边缘设置有多个通孔，所述通孔贯穿第一金属层、高阻硅介质层和第二金属层，且内壁表面设置有金属沉积层。

在本发明一个较佳实施例中，所述通孔为全通孔或半通孔。

在本发明一个较佳实施例中，所述n≥1，且为整数，所述n大于1时，n个硅腔谐振单元排列成矩阵，相邻两个硅腔谐振单元边缘的半通孔对应组合为全通孔。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一槽线和第二槽线成形在第一金属层上，且深度与第一金属层厚度相对应。

在本发明一个较佳实施例中，还包括输入馈线槽、第一缺陷耦合槽、输出馈线槽和第二缺陷耦合槽，其中，所述输入馈线槽和第一缺陷耦合槽设置在硅腔谐振单元矩阵中任一行的首位硅腔谐振单元上的第一金属层上，所述输入馈线槽与第一缺陷耦合槽连通，进行待滤波信号的输入；

所述输出馈线槽和第二缺陷耦合槽设置在硅腔谐振单元矩阵中任一行的末位硅腔谐振单元上的第一金属层上，所述输出馈线槽与第二缺陷耦合槽连通，输出滤波信号。

在本发明一个较佳实施例中，所述输入馈线槽和输出馈线槽延伸至第一金属层边缘，所述输入馈线槽、第一缺陷耦合槽、输出馈线槽和第二缺陷耦合槽深度与第一金属层厚度对应。

在本发明一个较佳实施例中，所述第一槽线为U型槽线，所述第二槽线为波浪型槽线、直线型槽线和弧线型槽线中的一种。

在本发明一个较佳实施例中，所述可调谐元件采用多个单刀单掷封装开关时，多个单刀单掷封装开关分别并列排布在第一槽线和第二槽线的末端。

在本发明一个较佳实施例中，所述可调谐元件采用单个单刀多掷开关芯片时，单刀多掷开关芯片分别设置在第一槽线和第二槽线的末端外侧，所述第一槽线和第二槽线的末端内侧多个点位与对应单刀多掷开关芯片的多个输出端分别采用金属绑线相连接，所述单刀多掷开关芯片的输入端与对应的第一金属层采用金属绑线相连接。

本发明的有益效果是：本发明指出的一种带宽可调谐硅基滤波芯片，可以通过采用硅基微细加工工艺（刻蚀、溅射、电镀等）在硅片上进行滤波器芯片加工，体积小，可实现多芯片集成，通过在硅腔谐振单元四周刻蚀通孔，并在通孔内壁溅射金属沉积层，形成类波导，具有Q值高、损耗小的优点，利用设置硅腔谐振单元以及槽线式双阻带谐振器，在滤波芯片的滤波通带两侧引入传输零点，在不增加电路尺寸的同时，使得滤波器通带两侧带外抑制度提高，通过可调谐元件中开启和关断的不同开关顺序，实现了硅基滤波芯片的带宽调谐功能，可调范围广。

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是本发明一种带宽可调谐硅基滤波芯片一较佳实施例的结构示意图；

图2是图1的A-A向剖视图；

图3是本发明一种带宽可调谐硅基滤波芯片另一较佳实施例的结构示意图；

图4是图3的B-B向剖视图；

图5是图1中的可调谐元件结构示意图；

图6是图3中的可调谐元件结构示意图；

图7是本发明一种带宽可调谐硅基滤波芯片的频率-幅度的波形图。

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7，本发明实施例包括：

如图1所示的带宽可调谐硅基滤波芯片，包括：可调谐元件、槽线式双阻带谐振器13和硅腔谐振单元11，本实施例中，采用3个硅腔谐振单元，分别为第一硅腔谐振单元111、第二硅腔谐振单元112和第三硅腔谐振单元113，第一硅腔谐振单元111、第二硅腔谐振单元112和第三硅腔谐振单元113依次排成一行。

如图2所示，每个硅腔谐振单元包括上下依次设置的第一金属层21、高阻硅介质层22和第二金属层23，第一金属层21和第二金属层23可以通过溅射工艺在高阻硅介质层22上得到。高阻硅介质层22的电阻率≥3000Ω/cm，采用高阻硅介质层22使得滤波器用于毫米波段时具有体积小、插损小以及电磁波传输损耗低的优点。

在本实施例中，采用厚度为10um的第一金属层21和第二金属层23，并采用厚度为400um的高阻硅介质层22，硅腔谐振单元11呈长方形，长度为3mm，宽度为1.54mm，体积小。

所述硅腔谐振单元11的边缘设置有多个通孔12，所述通孔12贯穿第一金属层21、高阻硅介质层22和第二金属层23，且内壁表面设置有金属沉积层，以形成用于谐振的硅腔，从而使得电磁波无法由硅腔向外泄露出去，能量传输损耗小，使得滤波器具有插损小的优点。所述通孔12为全通孔122或半通孔121。如图1所示，相邻两个硅腔谐振单元11边缘的半通孔121对应组合为全通孔结构。

槽线式双阻带谐振器13分布在单个硅腔谐振单元的第一金属层21上或者一行上相邻两个硅腔谐振单元的第一金属层相接处，本实施例中，槽线式双阻带谐振器分布在相邻两个硅腔谐振单元的第一金属层21相接处，3个硅腔谐振单元对应2个槽线式双阻带谐振器13，分别为第一槽线式双阻带谐振器134和第二槽线式双阻带谐振器135，对称分布，保障第一硅腔谐振单元111和第二硅腔谐振单元112之间、以及第二硅腔谐振单元112和第三硅腔谐振单元113之间的耦合均匀。

本实施例中，槽线式双阻带谐振器13分别包括第一槽线131和第二槽线132，且第二槽线132的一端与所述第一槽线131的中点相接，能够产生两个传输零点，在不增加电路尺寸的前提下，提高滤波器通带两侧带外抑制度。槽线式双阻带谐振器13比现有的采用两个单独槽线的槽线式谐振器体积更小，使得电路尺寸小，不占用额外的芯片面积，且不会引入额外寄生极点，易于与半导体集成电路进行工艺集成。

第一槽线131和第二槽线132刻蚀成形在第一金属层21上，且深度与第一金属层21厚度相对应，且第一槽线131为U型槽线，第一槽线131的宽度与长度决定通带高频处带外抑制。

第二槽线132为波浪型槽线、直线型槽线和弧线型槽线中的一种，本实施中，第二槽线132为波浪型槽线，第一槽线131的宽度、第二槽线132的宽度、第一槽线131的二分之一长度以及第二槽线132的长度之和决定通带低频处带外抑制，使得两个传输零点分别可调，且不会在低频产生额外的极点，不会引入额外杂波，低频响应更好。

为了实现信号的输入和输出，还需要输入馈线槽14、第一缺陷耦合槽15、输出馈线槽16和第二缺陷耦合槽17，其中，所述输入馈线槽14和第一缺陷耦合槽15刻蚀在硅腔谐振单元矩阵中任一行的首位硅腔谐振单元上的第一金属层上，所述输入馈线槽14与第一缺陷耦合槽15连通，进行待滤波信号的输入；

输出馈线槽16和第二缺陷耦合槽17设置在硅腔谐振单元矩阵中任一行的末位硅腔谐振单元上的第一金属层上，输出馈线槽16与第二缺陷耦合槽17连通，输出滤波信号。如图1所示，输入馈线槽14和输出馈线槽16延伸至第一金属层边缘，将待滤波信号通过输入馈线槽14输入该滤波器，滤波完成后的滤波信号通过输出馈线槽16输出。

输入馈线槽14、第一缺陷耦合槽15、输出馈线槽16和第二缺陷耦合槽17深度与第一金属层21厚度对应，采用刻蚀工艺得到，输入馈线槽14和输出馈线槽16的阻抗可以为50Ω。另外，第一缺陷耦合槽15的尺寸决定了输入馈线槽14与硅腔谐振单元111之间的耦合强度，第二缺陷耦合槽17的尺寸决定了输出馈线槽16与硅腔谐振单元113之间的耦合强度，具体的，第一缺陷耦合槽15和第二缺陷耦合槽17的尺寸越大，输入馈线槽14与硅腔谐振单元111之间的耦合强度越大，输出馈线槽16和硅腔谐振单元113之间的耦合强度越大。本实施例中，输入馈线槽14和输出馈线槽16的槽线宽度可以为88um，两条输入馈线槽14之间的间隙可以为70um，第一缺陷耦合槽15和第二缺陷耦合槽17的长度可均为1.1mm，宽度可均为0.22mm。

可调谐元件分布在第一金属层21上，且分别与第一槽线131和第二槽线132的末端对应，可调谐元件包括但不限于单个单刀多掷开关芯片和多个单刀单掷封装开关，单个单刀多掷开关芯片和多个单刀单掷封装开关可以通过导电胶和金丝绑线装架在硅基滤波芯片顶层金属层23上，结构稳定。

实施例1：

如图1和图2所示，所述可调谐元件采用多个单刀单掷封装开关，多个单刀单掷封装开关181和182分别并列排布在第一槽线131和第二槽线132的末端，如图5所示，多个单刀单掷封装开关181和182的分别骑跨第一槽线131和第二槽线132的末端，依次关闭多个单刀单掷封装开关181和182上的D1-D2-D3，频率-幅度的波形图如图7所示，逐步展宽，展宽步进由两个单刀单掷封装开关的间距S1决定。从图7可知，滤波信号的带外很陡峭，带外抑制度较高。

实施例2：

如图3和图4所示，所述可调谐元件采用单个单刀多掷开关芯片，单刀多掷开关芯片281和282分别设置在第一槽线131和第二槽线132的末端外侧，如图6所示，所述第一槽线131和第二槽线132的末端内侧多个点位与对应单刀多掷开关芯片的多个输出端分别采用金属绑线相连接，所述单刀多掷开关芯片的输入端与对应的第一金属层采用金属绑线相连接，可以依次关闭单刀多掷开关芯片281和282的D1-D2-D3，得到类似图7的波形图，逐步展宽，展宽步进由两个顶层金属片形成的点位之间的间距S2决定，顶层金属片为第一槽线131和第二槽线132的末端的内侧凸出金属片，为方便键合用。通过开启关断不同可调谐元件的开关顺序，实现硅基滤波芯片的带宽调谐功能，而且可调范围广。

当依次由末端向内挨个关闭第一槽线131旁的单刀多掷开关芯片281对应输出端通路的同时，依次由内向末端挨个关闭第二槽线132上方的单刀多掷开关芯片282对应输出端通路，带宽可调谐硅基滤波芯片的带宽逐步展宽。

综上所述，本发明指出的一种带宽可调谐硅基滤波芯片，体积小巧，生产便利，解决了现有可调滤波器体积大、Q值低、带外抑制度差、损耗大、不易实现多芯片集成的问题，通过开启关断不同可调谐元件的开关顺序，实现了硅基滤波芯片的带宽调谐功能，而且可调范围广。

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 (7)

1.一种带宽可调谐硅基滤波芯片，其特征在于，包括：

n个硅腔谐振单元，每个硅腔谐振单元包括上下依次设置的第一金属层、高阻硅介质层和第二金属层；

槽线式双阻带谐振器，分布在单个硅腔谐振单元的第一金属层上或者一行上相邻两个硅腔谐振单元的第一金属层相接处，分别包括第一槽线和第二槽线，且第二槽线的一端与所述第一槽线的中点相接；

可调谐元件，分布在第一金属层上，且分别与第一槽线和第二槽线的末端对应，所述可调谐元件包括但不限于单个单刀多掷开关芯片和多个单刀单掷封装开关；

所述第一槽线为U型槽线，所述第二槽线为波浪型槽线、直线型槽线和弧线型槽线中的一种；

所述可调谐元件采用多个单刀单掷封装开关时，多个单刀单掷封装开关分别并列排布在第一槽线和第二槽线的末端；

所述可调谐元件采用单个单刀多掷开关芯片时，单刀多掷开关芯片分别设置在第一槽线和第二槽线的末端外侧，所述第一槽线和第二槽线的末端内侧多个点位与对应单刀多掷开关芯片的多个输出端分别采用金属绑线相连接，所述单刀多掷开关芯片的输入端与对应的第一金属层采用金属绑线相连接。

2.根据权利要求1所述的带宽可调谐硅基滤波芯片，其特征在于，所述硅腔谐振单元的边缘设置有多个通孔，所述通孔贯穿第一金属层、高阻硅介质层和第二金属层，且内壁表面设置有金属沉积层。

3.根据权利要求2所述的带宽可调谐硅基滤波芯片，其特征在于，所述通孔为全通孔或半通孔。

4.根据权利要求3所述的带宽可调谐硅基滤波芯片，其特征在于，所述n≥1，且为整数，所述n大于1时，n个硅腔谐振单元排列成矩阵，相邻两个硅腔谐振单元边缘的半通孔对应组合为全通孔。

5.根据权利要求1所述的带宽可调谐硅基滤波芯片，其特征在于，所述第一槽线和第二槽线成形在第一金属层上，且深度与第一金属层厚度相对应。

6.根据权利要求4所述的带宽可调谐硅基滤波芯片，其特征在于，还包括输入馈线槽、第一缺陷耦合槽、输出馈线槽和第二缺陷耦合槽，其中，所述输入馈线槽和第一缺陷耦合槽设置在硅腔谐振单元矩阵中任一行的首位硅腔谐振单元上的第一金属层上，所述输入馈线槽与第一缺陷耦合槽连通，进行待滤波信号的输入；

所述输出馈线槽和第二缺陷耦合槽设置在硅腔谐振单元矩阵中任一行的末位硅腔谐振单元上的第一金属层上，所述输出馈线槽与第二缺陷耦合槽连通，输出滤波信号。

7.根据权利要求6所述的带宽可调谐硅基滤波芯片，其特征在于，所述输入馈线槽和输出馈线槽延伸至第一金属层边缘，所述输入馈线槽、第一缺陷耦合槽、输出馈线槽和第二缺陷耦合槽深度与第一金属层厚度对应。

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