CN117977146A - 一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构，包括波导输入/输出口、微机械波导渐变过渡结构、平面带线过渡结构、平面带线输入/输出口。本发明通过微机械加工形成的高介电常数硅悬梁可用于悬置微带的支撑衬底，同时缩短悬置微带到微机械波导短路面的距离，如此，有效降低了波导过渡结构体积；通过微机械加工等硅基三维集成技术实现的全硅立体集成波导转换结构还具有工作带宽宽、插损小，免装配、一致性好等优点，特别适用于硅基三维集成毫米波微系统。
Description
技术领域
本发明属于毫米波技术领域，具体涉及一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构。
背景技术
随着毫米波技术的发展，毫米波混合集成电路与单片集成电路广泛应用，平面传输线是连接MMIC重要的传输媒介。然而由于金属波导具有高功率容量和高Q值的特性，因此是毫米波亚毫米波频段进行端口连接和传出的重要结构。在毫米波电路和系统中经常需要进行这两种传输线形式的转换，这些转换装置要实现阻抗变换和过渡连接的功能。因此，设计宽频带、低损耗及结构紧凑的平面传输线波导转换结构是进行毫米波混合集成电路研究的基础。
波导微带探针过渡由于具有低损耗、结构简单、带宽更宽等优点而在工程中得到了广泛地运用。传统的波导微带探针过渡通常是将微带介质基片通过微组装方式安装在采用精密机械切削方法加工的金属波导中，这种组装方式过程复杂、对准误差较低，在毫米波段必然会影响接口的匹配特性和损耗，且每次组装时间较长，装配误差导致产品的一致性差，不适于集成应用和大批量生产。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构，以解决目前工程中对平面带线到波导转换结构低损耗、宽频带的性能要求和小型化、无需组装、易集成的应用需求，通过硅微机械加工等半导体制造方法，形成低损耗微机械波导和高介电常数硅悬梁，该硅悬梁可用于悬置微带的支撑衬底，同时缩短悬置微带到微机械波导短路面的距离，有效减小体积。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构，包括自下而上的第一金属层、第一硅衬底、第二金属层、第二硅衬底、第三金属层、第三硅衬底、第四金属层和第四硅衬底；所述第一金属层耦合窗口为波导输入/输出端口，所述第一金属层耦合窗口与第一硅衬底上侧边镀涂金属空腔相连，所述第一硅衬底上侧边镀涂金属空腔、第二金属层上的耦合窗口、第二硅衬底上的空腔和TSV阵列、第三金属层上的耦合窗口、第三硅衬底上的深槽、悬梁和TSV阵列、第四金属短路层和第四硅基盖板依次构成微机械波导渐变过渡结构，所述第三金属层上的悬置微带开路线、微带匹配线依次构成平面带线过渡结构，所述第三金属层上的微带匹配线与平面带线输入/输出端口相连。
进一步地，第二硅衬底上的空腔四周、第三硅衬底上的深槽、悬梁四周排布有TSV阵列，TSV到空腔、深槽边缘的距离相同。
进一步地，第三金属层上的微带匹配线两边有渐变地结构，第二硅衬底上对应第三金属层上微带匹配线下方有空腔结构。
进一步地，波导输入/输出端口尺寸不局限于标准波导尺寸，平面带线输入/输出端口可为微带、带状线、CPWG等平面传输线形式。
进一步地，第一硅衬底上的空腔尺寸要小于第二硅衬底上空腔尺寸和第三硅衬底上深槽尺寸。
进一步地，第一硅衬底上的空腔、第二硅衬底上的空腔、第三硅衬底上的深槽、TSV阵列均采用微机械加工方法形成。
进一步地，所述的一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构采用硅基三维集成半导体工艺一次成型。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于，(1)该转换结构具有插损小，带宽宽，小型化等显著优点；(2)利用微机械加工和多层键合工艺，实现了平面带线到波导转换三维结构的一体化集成，无需人工组装，精度高，可批量生产，易集成在硅基三维集成毫米波混合电路中。
附图说明
图1为本发明一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构的剖面示意图。
图2为本发明一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构第三金属层结构示意图。
图3为本发明一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构仿真曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。
结合图1、2，本发明提供了一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构实施例，其包括自下而上的第一金属层100、第一硅衬底1、第二金属层200、第二硅衬底2、第三金属层300、第三硅衬底3、第四金属层400和第四硅衬底4。其中第一金属层100矩形耦合窗口101为矩形波导输入/输出端口，所述第一金属层矩形耦合窗口101与第一硅衬底1上空腔10的侧边镀涂金属102相连，所述第一硅衬底1上空腔10和侧边镀涂金属102、第二金属层200上的矩形耦合窗口201、第二硅衬底2上的空腔20和TSV阵列5、第三金属层300上的矩形耦合窗口301、第三硅衬底上的矩形深槽30、矩形悬梁31和TSV阵列5、第四金属层400和第四硅衬底4依次构成微机械波导渐变过渡结构，所述第三金属层300上的悬置微带开路线304、微带匹配线303依次构成平面带线过渡结构，所述第三金属层上的微带匹配线303与平面带线输入/输出端口302相连。
所述第二硅衬底2上的矩形空腔20四周、第三硅衬底3上的矩形深槽30、矩形悬梁31四周排布有TSV阵列5，TSV阵列5到矩形空腔20、矩形深槽30、矩形悬梁31边缘的距离相同。
所述第三金属层300上的微带匹配线302两边有渐变地结构305，第二硅衬底2上对应第三金属层300上微带匹配线303下方有空腔结构21。
所述第二硅衬底2上的矩形空腔20尺寸要大于矩形波导输入/输出端口101尺寸,第三硅衬底3上的矩形深槽30与第二硅衬底2上去除空腔结构21之外的矩形空腔20尺寸相同。
所述矩形波导输入/输出端口101尺寸不局限于标准波导尺寸，平面带线输入/输出端口302可为微带、带状线、CPWG等平面传输线形式。
所述第一硅衬底1上的空腔10尺寸要小于第二硅衬底2上空腔20尺寸和第三硅衬底3上深槽30尺寸
所述第一硅衬底1上的空腔10、第二硅衬底2上的空腔20、第三硅衬底3上的深槽30、TSV阵列5均采用微机械加工方法形成。
所述第二硅衬底2、第三硅衬底3均为电阻率大于4000Ω·cm的高阻硅，第一硅衬底1、第四硅衬底4可为高阻硅也可为低阻硅，第一硅衬底1、第二硅衬底2、第三硅衬底3厚度均为250um，所述深槽30厚度为150um。
所述的一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构采用微机械加工和多层键合工艺等硅基三维集成半导体工艺一次成型。
结合图3，该一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构绝对带宽85GHz-110GHz，相对带宽25.6％，输入输出回波损耗优于20dB，传输损耗小于0.27dB，性能优越。
综上所述，本发明一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构实现了平面带线到波导转换三维结构的一体化集成，无需人工组装，精度高，可批量生产，同时该过渡结构具有插损小，带宽宽，小型化等显著优点，特别适用于硅基三维集成毫米波微系统中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，也应视作本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构，其特征在于，包括自下而上的第一金属层、第一硅衬底、第二金属层、第二硅衬底、第三金属层、第三硅衬底、第四金属层和第四硅衬底；所述第一金属层耦合窗口为波导输入/输出端口，所述第一金属层耦合窗口与第一硅衬底上侧边镀涂金属空腔相连，所述第一硅衬底上侧边镀涂金属空腔、第二金属层上的耦合窗口、第二硅衬底上的空腔和TSV阵列、第三金属层上的耦合窗口、第三硅衬底上的深槽、悬梁和TSV阵列、第四金属短路层和第四硅基盖板依次构成微机械波导渐变过渡结构，所述第三金属层上的悬置微带开路线、微带匹配线依次构成平面带线过渡结构，所述第三金属层上的微带匹配线与平面带线输入/输出端口相连。
2.如权利要求1所述的一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构，其特征在于，所述第二硅衬底上的空腔四周、第三硅衬底上的深槽、悬梁四周排布有TSV阵列，TSV到空腔、深槽边缘的距离相同。
3.如权利要求1所述的一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构，其特征在于，所述第三金属层上的微带匹配线两边有渐变地结构，第二硅衬底上对应第三金属层微带匹配线下方有空腔结构。
4.如权利要求1所述的一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构，其特征在于，平面带线输入/输出端口为微带、带状线、CPWG平面传输线形式。
5.如权利要求1所述的一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构，其特征在于，所述第一硅衬底上的空腔尺寸小于第二硅衬底上空腔尺寸和第三硅衬底上深槽尺寸。
6.如权利要求1、2、3或5所述的一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构，其特征在于，所述的第一硅衬底上的空腔、第二硅衬底上的空腔、第三硅衬底上的深槽、TSV阵列均采用微机械加工方法形成。
7.如权利要求6所述的一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构，其特征在于，宽带硅基微机械波导一体化转换结构采用硅基三维集成半导体工艺一次成型。
8.如权利要求1～5任一所述的所述的一种宽带硅基微机械波导一体化转换结构，其特征在于，宽带硅基微机械波导一体化转换结构采用硅基三维集成半导体工艺一次成型。
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