EP2266162B1 - Resonanzfilter mit geringem verlust - Google Patents

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EP2266162B1
EP2266162B1 EP09730813A EP09730813A EP2266162B1 EP 2266162 B1 EP2266162 B1 EP 2266162B1 EP 09730813 A EP09730813 A EP 09730813A EP 09730813 A EP09730813 A EP 09730813A EP 2266162 B1 EP2266162 B1 EP 2266162B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
cavities
coupling
filter
resonant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP09730813A
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English (en)
French (fr)
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EP2266162A1 (de
Inventor
William Gautier
Bernhardt SCHÖNLINNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EADS Deutschland GmbH filed Critical EADS Deutschland GmbH
Publication of EP2266162A1 publication Critical patent/EP2266162A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2266162B1 publication Critical patent/EP2266162B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/207—Hollow waveguide filters
    • H01P1/208—Cascaded cavities; Cascaded resonators inside a hollow waveguide structure
    • H01P1/2088—Integrated in a substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P11/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing waveguides or resonators, lines, or other devices of the waveguide type
    • H01P11/001—Manufacturing waveguides or transmission lines of the waveguide type
    • H01P11/002—Manufacturing hollow waveguides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P11/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing waveguides or resonators, lines, or other devices of the waveguide type
    • H01P11/008—Manufacturing resonators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00—Resonators of the waveguide type
    • H01P7/06—Cavity resonators
    • H01P7/065—Cavity resonators integrated in a substrate

Definitions

  • the invention relates to the field of resonant filters. More particularly, the invention relates to such resonant filters which are suitable for use in the micro and millimeter wave range, and in particular to those filters which are produced by microtechnical processes. Moreover, the invention relates to a method for producing such filters.
  • Filters for separating frequencies are widely used in the art.
  • electrical and optical filters are used. These filters have in general the task of limiting a voltage applied to its input wide spectrum of frequencies and / or to transform and provide at its output.
  • a good filter blocks as precisely as possible only those frequencies which are outside the desired range, and allows the frequencies within the desired band to pass almost unhindered, that is, without loss.
  • the loss factor and the selectivity which can be given simplified by the so-called Q-factor (also quality factor) of the filter, are therefore important distinguishing features of filters. Normally, filters with low losses and high quality are desired.
  • resonance filters A frequently used physical principle for the realization of filters is based on resonance; the corresponding filters are accordingly called resonance filters. These are offered, for example, as waveguide or in coaxial design. Although such filters meet the technical requirements of high quality and low losses, but are design-related large, heavy and expensive. Furthermore, such filters are difficult to combine with the planar design conventional circuit technology.
  • the cavities of such resonant filters are produced, for example, by etching from silicon wafers.
  • the cavities are produced by wet etching of several individual wafers. Thereafter, the processed wafers are placed on each other, positioned exactly to each other and permanently connected. The coupling of the different layers takes place by means of openings in a metal layer covering the wafers.
  • the cavities by means of RIE (r eactive I on E tching) was prepared. This method additionally allows the production of the coupling openings necessary for the coupling of individual wafers together with the cavities and in the same wafer.
  • a disadvantage of the first design is the need to adjust a plurality of (for example, five or more) wafers, which must be placed and positioned exactly on top of each other.
  • a disadvantage of the second type is the high cost involved in manufacturing by RIE since, despite the use of silicon as the base material, the advantage of low cost manufacturing by wet etching techniques can not be used.
  • the WO 2004 045018 A1 overcomes the disadvantages described above by etching cavities by means of wet-chemical methods into at least two silicon wafers and then positioning them one above the other.
  • the Resonant cavities are formed by cavities, which are present in both wafers.
  • the coupling cavities are located in only one of the wafers. Again, precise positioning of the wafers relative to one another is necessary, especially if more than two wafers form a filter, but also because the resonant cavities consist of two halves and show the desired filter properties only when assembled accurately.
  • the object of the invention is therefore to avoid the disadvantages described in the prior art, in particular a lack of integrability in planar circuit technology, too large a size, too high a weight and too high costs due to an elaborate production technique.
  • the invention is intended to provide a filter with very low losses and high quality.
  • a low loss, high Q-factor resonant filter which consists of two layers, of which a first layer carries only resonant cavities and a second layer exclusively coupling cavities.
  • a method of making the filter of the invention is also provided.
  • the sole FIGURE shows a resonant filter 1 of the invention in cross-sectional view.
  • the filter 1 is composed of exactly two layers, namely of a first layer 2 and a second layer 3.
  • the first layer 2 comprises two resonance cavities 4. These are closed in all directions, except for a direction which lies on the surface of the first layer 2. From this direction, the cavities 4 have been produced by selectively removing material from the first layer 2. Between the two resonant cavities is a partition 8.
  • the second layer 3 comprises a coupling cavity 5. Also, this is closed in all directions, except for a direction which lies on the surface of the second layer 3. From this direction, the cavity 5 has been produced.
  • the two layers 2 and 3 are superimposed in such a way that touch the respective surfaces in which the cavities 4 and 5 are located. Further, the two layers 2 and 3 are positioned one above the other so that the coupling cavity 5 creates a connection between the two resonance cavities 4.
  • the filter 1 also comprises an input 6 and an output 7, which in each case adjoins one of the two resonance cavities 4, so that the corresponding signal to be filtered can be fed into or out of the filter.
  • the input and / or the output are executed as MSLs, indicated by the thick drawn horizontal lines.
  • the invention relates to a resonant filter which is suitable for use in the micro and millimeter wave range, and can be produced by microtechnical processes. Moreover, the invention relates to a method for producing such filters, which is characterized in particular by the fact that it uses cost-effective production methods from silicon technology. In use, the filter shows low losses and high quality, its design is small and flat, and it can therefore be well integrated into the planar fabrication of microelectronic circuits.
  • the resonant filter according to the invention for use in the micro and millimeter wave range consists according to a preferred embodiment of silicon. It has a first layer, which in turn has n adjacent resonance cavities, where n is at least 2. Depending on the application, the number of layers can also be greater than 2.
  • the resonance cavities are each separated by a partition wall. It also has a second layer with coupling cavities.
  • the number of coupling cavities is advantageously at least n-1, since, for example, a coupling cavity couples two resonance cavities together, or two coupling cavities are sufficient to couple three resonance cavities together.
  • the cavities of the first layer are formed exclusively as resonance cavities and the cavities of the second layer exclusively as coupling cavity (s). That is, there are no coupling cavities or parts thereof in the first layer and no resonant cavities or parts thereof in the second layer.
  • the functional separation of the tasks is also reflected in the layers which can be produced separately from one another, from which, inter alia, the advantage arises that each layer can be produced with a production method optimally adapted to its task.
  • Each of the resonance and coupling cavities is only one-sided and particularly preferably open to one of its outer surfaces. Accordingly owns none of the layers perpendicular through openings or openings, which increases the stability and manageability of the very thin wafer layers.
  • the second layer is arranged on the first layer such that the individual resonance cavities of the first layer are interconnected by means of the coupling cavity (s) of the second layer.
  • the first resonant cavity overlap with the first coupling cavity, this in turn with the second resonant cavity, and so on.
  • the coupling cavities thereby bridge the partitions that are located between the resonance cavities, thus creating a continuous connection between the first and the last Resonanzkavtician.
  • a particularly exact positioning of the second on the first layer is not necessary, as long as it is ensured that the connection according to the invention between the individual resonance cavities is ensured. In the present invention, this is because the electromagnetic coupling is not very sensitive to positioning tolerances due to the coupling activity.
  • the filter is designed as a monolithic component, since both layers are permanently and firmly configured to be connected to one another.
  • the permanent and firm connection of the layers together is achieved, for example, by thermocompression bonding of the layers.
  • the permanent and hermetic bonding of the layers can be effected by anodic bonding, silicon direct bonding, glass-frit bonding, low-temperature bonding or by adhesive bonding, for example with adhesive or photoresist. If at least one of the layers consists of a material other than silicon, for example of glass, plastic or ceramic, the permanent and hermetic bonding of the layers is adapted to the type of bonding surfaces.
  • the filter also has means for coupling and decoupling the signal to be filtered.
  • these are in the form of MSRs (m icro s trip l ines).
  • MSRs m icro s trip l ines.
  • the MSLs have a width in the Range of 1 to 10 microns and a length in the range of 100 to 1000 microns.
  • the MSLs may also be filled with a dielectric or consist of a better coupling or decoupling of the signal.
  • the length of the MSL can be arbitrary.
  • the geometries of the filter and in particular of the resonant cavities are dimensioned so that they are designed for use of the filter in the micro to millimeter wave range.
  • the geometries are dimensioned so that the filter is suitable for use in areas of smaller, according to another embodiment, for use in areas of longer wavelengths. This adaptation can preferably be achieved by an enlargement or reduction and in particular an extension or shortening of the resonance cavities.
  • the geometries of the resonance cavities are designed such that they can be changed, as a result of which the operating wavelength range likewise becomes variable. In this way, the filter can be adapted to different tasks without having to replace it.
  • the filter is configured tunable. This means that it has suitable facilities that allow a simple and permanent change of the operating wavelength range within certain limits. Since the properties of resonant filters are also subject to certain variations due to slight variations in the manufacturing process and / or temperature changes during operation, which in particular also affect their resonant frequency, which is relevant inter alia for their operating wavelength range, it is advantageous if after the production of a filter Possibility for subsequent fine tuning of the resonant frequency is given.
  • Such structures may be ferroelectric tuning diodes or capacitance diodes whose capacitance is tunable, for example, by applying a voltage and / or changing the temperature.
  • Other means of tuning include components having one or more integrated capacitors whose capacitances may be changed, for example by electro-optic and / or thermo-optic modifications of existing polymers, or by the fact that capacitors consist of a fixed and a movable part, for example of a membrane or a Strips that face each other and are mutually insulated, wherein the displacement of the movable part is electrostatically, piezoelectrically and / or thermally actuated.
  • Still other means for tuning the filter include stubs balanced by laser beam-induced material changes.
  • at least one of the layers of the filter instead of silicon from a material such as glass, plastic and ceramic exist.
  • the use of a material other than silicon may be useful or even necessary.
  • the first layer has a thickness in the range of 1200 microns and the second layer has a thickness in the range of 200 microns.
  • both layers may be the same thickness.
  • both layers may originally consist of a layer which, after the introduction of the corresponding structures (in particular of the cavities) into individual segments is separated, which then form the first and the second layer.
  • the resonant filter accordingly has, in a first, thicker layer, two resonant cavities with a rectangular outline and a trapezoidal cross-section, and also a dividing wall which is arranged so as to separate both resonant cavities.
  • the coupling cavity has a coupling cavity arranged in a second, thinner layer and likewise rectangular, but preferably smaller, with a trapezoidal cross-section.
  • the lateral dimensions of the coupling cavity are at least so great that it is at least a few micrometers larger than the thickness of the dividing wall.
  • the coupling activity is typically about 100 to 500 micrometers beyond the partition.
  • the second layer and the first layer are designed such that they can be laid over one another in such a way that the coupling cavity, if it is arranged above the dividing wall, surmounts it symmetrically on both sides in the direction of the resonant cavities, so that it forms a connection between the two resonant cavities.
  • the filter further comprises means for coupling and uncoupling in the form of MSLs (microstrip lines), which are each arranged on the outer surface of the second layer and have a position and length, due to which each MSL at least partially above each below
  • MSLs microstrip lines
  • a method for producing the resonance filter according to the invention is also provided.
  • This method preferably uses micro-technical production methods for silicon wafers, it being understood that in the case of other filter materials (in particular with regard to the materials of the first and / or second layer), a production method adapted to the material must be selected. Therefore, the embodiments mentioned in the steps enumerated here should not be construed as limiting, but rather as a guideline.
  • both layers can be masked in parallel and then treated together (eg, etched), wherein the masking and treatment can take place at least parallel in time, but can also be spatially parallelized. That means both layers initially consist of a single layer, then masked, treated, and finally separated from each other.
  • the treatment of the layers takes place in particular for the production of the cavities by means of KOH or TMAH etching.
  • the silicon layers are metallized and / or patterned on one or both sides before or after their combination. Since gold has high electrical conductivity, can not be oxidized, and can be used in thermocompression bonding, gold is preferably used for the very thin metallization. Other materials which also have good electrical conductivity may also be used for the metallization of the layers, such as e.g. Copper, aluminum or other metal alloys.
  • the further structuring of the layers is carried out by conventional Aufschleudem of photoresist, exposure and subsequent dry and / or wet etching.
  • the permanent bonding of the layers takes place by thermocompression bonding of the layers.
  • the permanent and hermetic bonding of the layers takes place by anodic bonding, direct silicon bonding, glass-frit bonding, low-temperature bonding or by adhesive bonding, for example with adhesive or photoresists. If at least one of the layers consists of a material other than silicon, the permanent and hermetic bonding of the layers is adapted to the type of interface.
  • the production of the cavities takes place by means of Hot stamping, injection molding or so-called nano-imprint process.
  • hot stamping is a particularly preferred manufacturing process.
  • injection molding can be chosen as the manufacturing process.
  • the nano-imprint process can preferably be selected for production, in which, for example, by means of a heated roll highly accurate structures are impressed into the plastic.
  • glass preferably glass etching techniques or particularly preferably photopatternable glass can be used.
  • sintering techniques can be used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet von Resonanzfiltern. Genauer betrifft die Erfindung solche Resonanzfilter, die für einen Einsatz im Mikro- und Millimeterwellenbereich geeignet sind, und hier insbesondere solche Filter, die mit mikrotechnischen Verfahren hergestellt werden. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Filter.
    • Stand der Technik
  • Filter zum Trennen von Frequenzen sind in der Technik weit verbreitet. Insbesondere in der Nachrichtentechnik kommen elektrische und optische Filter zum Einsatz. Diese Filter haben ganz allgemeinen die Aufgabe, ein an ihrem Eingang anliegendes breites Spektrum aus Frequenzen einzugrenzen und/oder zu transformieren und an ihrem Ausgang zur Verfügung zu stellen.
  • Ein wichtiges Kriterium für die Güte eines Filters ist dessen Effektivität in der Übertragung ausschließlich des gewünschten Frequenzbereiches. Ein guter Filter hingegen blockiert möglichst genau nur diejenigen Frequenzen, welche außerhalb des gewünschten Bereiches liegen, und lässt die Frequenzen innerhalb des gewünschten Bandes nahezu ungehindert, also verlustfrei, passieren.
  • Der Verlustfaktor und die Trennschärfe, welche vereinfacht durch den so genannten Q-Faktor (auch Gütefaktor) des Filters angegeben werden kann, sind demnach wichtige Unterscheidungsmerkmale von Filtern. Gewünscht sind im Normalfall Filter mit geringen Verlusten und hoher Güte.
  • Speziell im Bereich der Nachrichtentechnik, wo Nachrichten mit hohen Frequenzen, geringen Leistungen und über große Entfernungen hinweg übermittelt werden, sind diese Kriterien von besonderer Relevanz.
  • Ein häufig benutztes physikalisches Prinzip zur Realisierung von Filtern beruht auf Resonanz; die entsprechenden Filter heißen dementsprechend Resonanzfilter. Diese werden beispielsweise als Hohlleiter- oder in Koaxial-Bauform angeboten. Derartige Filter erfüllen zwar die technischen Anforderungen hoher Güte und geringer Verluste, sind jedoch bauartbedingt groß, schwer und teuer. Des Weiteren sind derartige Filter nur schwer mit der ebenen Bauform konventioneller Schaltungstechnik kombinierbar.
  • Zur Umgehung insbesondere des Nachteils der Größe und fehlenden geringen Bauhöhe werden so genannte Kavitäten- Resonanzfilter bzw. planare Hohlraumfilter eingesetzt. Die Kavitäten derartiger Resonanzfilter werden dabei beispielsweise durch Ätzen aus Siliziumwafern hergestellt. Hier sind zwei unterschiedliche Bauarten bekannt. Nach einer ersten Bauart werden die Kavitäten mittels Nassätzen mehrerer einzelner Wafer hergestellt. Danach werden die bearbeiteten Wafer aufeinander gelegt, exakt zueinander positioniert und dauerhaft miteinander verbunden. Die Kopplung der unterschiedlichen Schichten erfolgt mittels Öffnungen in einer die Wafer bedeckenden Metallschicht. Nach einer zweiten Bauart werden die Kavitäten mittels RIE (reactive ion etching) hergestellt. Dieses Verfahren erlaubt zusätzlich die Herstellung der zur Kopplung einzelner Wafer notwendigen Kopplungsöffnungen zusammen mit den Kavitäten und im gleichen Wafer.
  • Nachteilig an der ersten Bauart ist die Notwendigkeit der Justage einer Vielzahl von (zum Beispiel fünf oder mehr) Wafern, die exakt übereinander gelegt und positioniert werden müssen. Ein Nachteil der zweiten Bauart liegt in den hohen Kosten, die eine Fertigung mittels RIE mit sich bringt, da hier trotz der Verwendung von Silizium als Basismaterial der Vorteil einer kostengünstigen Fertigung durch Nassätztechniken nicht genutzt werden kann.
  • Die WO 2004 045018 A1 überwindet die oben beschriebenen Nachteile durch das Ätzen von Kavitäten mittels nasschemischer Verfahren in mindestens zwei Siliziumwafer und anschließendes übereinander positionieren derselben. Die Resonanzkavitäten werden dabei durch Kavitäten gebildet, die jeweils in beiden Wafern vorhanden sind. Die Kopplungskavitäten befinden sich hingegen in lediglich einem der Wafer. Auch hier ist eine genaue Positionierung der Wafer zueinander notwendig, insbesondere dann, wenn mehr als zwei Wafer einen Filter formen, aber auch deswegen, weil die Resonanzkavitäten aus zwei Hälften bestehen, und nur bei genauem Zusammenbau die gewünschten Filtereigenschaften zeigen.
    • Aufgabe der Erfindung und Lösung
  • Die Aufgabe der Erfindung ist demnach eine Vermeidung der im Stand der Technik beschriebenen Nachteile wie insbesondere eine fehlende Integrierbarkeit in planare Schaltungstechnik, eine zu große Baugröße, ein zu hohes Gewicht, sowie zu hohe Kosten durch eine aufwändige Fertigungstechnik. Gleichzeitig soll die Erfindung einen Filter mit sehr geringen Verlusten und einer hohen Güte bereitstellen.
  • Die Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 vorgeschlagene Vorrichtung und das in Anspruch 7 vorgeschlagene Verfahren gelöst. Dementsprechend wird ein Resonanzfilter mit geringem Verlust und hohem Q-Faktor bereitgestellt, der aus zwei Schichten besteht, von denen eine erste Schicht ausschließlich Resonanzkavitäten und eine zweite Schicht ausschließlich Kopplungskavitäten trägt. Es wird außerdem ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Filters bereitgestellt.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, sowie den begleitenden Figuren sowie deren Beschreibung zu entnehmen.
    • Figurenbeschreibung
  • Die einzige Figur zeigt einen Resonanzfilter 1 erfindungsgemäßen Aufbaues in Querschnittsansicht.
    • Beschreibung
  • Dementsprechend ist der Filter 1 aus genau zwei Schichten aufgebaut, und zwar aus einer ersten Schicht 2 und einer zweiten Schicht 3.
  • Die erste Schicht 2 umfasst zwei Resonanzkavitäten 4. Diese sind nach allen Richtungen hin verschlossen, bis auf eine Richtung, die an der Oberfläche der ersten Schicht 2 liegt. Von dieser Richtung her sind die Kavitäten 4 erzeugt worden, indem selektiv Material aus der ersten Schicht 2 entfernt wurde. Zwischen den beiden Resonanzkavitäten befindet sich eine Trennwand 8.
  • Die zweite Schicht 3 umfasst eine Kopplungskavität 5. Auch diese ist nach allen Richtungen hin verschlossen, bis auf eine Richtung, die an der Oberfläche der zweiten Schicht 3 liegt. Von dieser Richtung her ist die Kavität 5 erzeugt worden.
  • Die beiden Schichten 2 und 3 sind dergestalt übereinander gelegt, dass sich die jeweiligen Oberflächen, in denen sich die Kavitäten 4 und 5 befinden, berühren. Weiter sind die beiden Schichten 2 und 3 so übereinander positioniert, dass die Kopplungskavität 5 eine Verbindung zwischen den beiden Resonanzkavitäten 4 erzeugt.
  • Schließlich umfasst der Filter 1 noch einen Eingang 6 und einen Ausgang 7, welcher jeweils an eine der beiden Resonanzkavitäten 4 grenzt, so dass das entsprechende, zu filternde Signal in den Filter ein- bzw. aus ihm ausgekoppelt werden kann. Der Ein- und/oder der Ausgang sind dabei als MSLs, angedeutet durch die dick gezeichneten horizontalen Linien, ausgeführt.
  • Die Erfindung betrifft einen Resonanzfilter, der für den Einsatz im Mikro- und Millimeterwellenbereich geeignet ist, und mit mikrotechnischen Verfahren hergestellt werden kann. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Filter, welches insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass es kostengünstige Herstellungsmethoden aus der Siliziumtechnologie nutzt. In der Anwendung zeigt der Filter geringe Verluste und eine hohe Güte, seine Bauform ist klein und eben, und er lässt sich daher gut in die planare Fertigung von mikroelektronischen Schaltungen integrieren.
  • Der erfindungsgemäße Resonanzfilter zum Einsatz im Mikro- und Millimeterwellenbereich besteht nach einer bevorzugten Ausführungsform aus Silizium. Er weist eine erste Schicht auf, welche ihrerseits n aneinander grenzende Resonanzkavitäten aufweist, wobei n mindestens 2 ist. Je nach Anwendungsfall kann die Anzahl der Schichten auch größer als 2 sein. Die Resonanzkavitäten sind dabei jeweils durch eine Trennwand voneinander getrennt. Er weist außerdem eine zweite Schicht mit Kopplungskavitäten auf. Die Anzahl der Kopplungskavitäten ist vorteilhafterweise mindestens n-1, da beispielsweise eine Kopplungskavität zwei Resonanzkavitäten miteinander koppelt, oder zwei Kopplungskavitäten ausreichen, um drei Resonanzkavitäten miteinander zu koppeln.
  • Die Kavitäten der ersten Schicht sind dabei ausschließlich als Resonanzkavitäten und die Kavitäten der zweiten Schicht ausschließlich als Kopplungskavität(en) ausgebildet. Das heißt, dass sich in der ersten Schicht keine Kopplungskavitäten oder Teile davon und in der zweiten Schicht keine Resonanzkavitäten oder Teile davon befinden. Hierdurch findet sich die funktionale Trennung der Aufgaben auch in den getrennt voneinander herstellbaren Schichten wieder, woraus unter anderem der Vorteil erwächst, dass jede Schicht mit einem optimal auf ihre Aufgabe abgestimmten Fertigungsverfahren hergestellt werden kann.
  • Jede der Resonanz- und Kopplungskavitäten ist dabei nur einseitig und besonders bevorzugt zu einer ihrer Außenflächen hin offen. Demnach besitzt keine der Schichten senkrecht durch sie hindurch laufende Durchbrüche oder Öffnungen, was die Stabilität und Handhabbarkeit der sehr dünnen Wafer-Schichten erhöht.
  • Erfindungsgemäß ist die zweite Schicht so auf der ersten Schicht angeordnet, dass die einzelnen Resonanzkavitäten der ersten Schicht mittels der Kopplungskavität(en) der zweiten Schicht untereinander verbunden sind. In einer Draufsicht auf den flächig ausgebildeten Filter überlappen sich die erste Resonanzkavität mit der ersten Kopplungskavität, diese wiederum mit der zweiten Resonanzkavität, und so fort. Die Kopplungskavitäten überbrücken dabei die Trennwände, die sich zwischen den Resonanzkavitäten befinden, und schaffen so eine durchgehende Verbindung zwischen der ersten und der letzten Resonanzkavität. Eine besonders exakte Positionierung der zweiten auf der ersten Schicht ist nicht notwendig, solange sichergestellt ist, dass die erfindungsgemäße Verbindung zwischen den einzelnen Resonanzkavitäten gewährleistet ist. Dies ist bei der vorliegenden Erfindung so, da die elektromagnetische Kopplung durch die Kopplungsaktivität nicht sehr empfindlich auf Positionierungstoleranzen reagiert.
  • Der Filter ist als monolithisches Bauteil ausgebildet, da beide Schichten dauerhaft und fest miteinander verbindbar ausgestaltet sind. Die dauerhafte und feste Verbindung der Schichten miteinander wird beispielsweise durch Thermokompressionsbonden der Schichten erreicht. Nach einer weiteren Ausführungsform kann das dauerhafte und hermetische Verbinden der Schichten durch anodisches Bonden, Silizium-Direktbonden, Glas-Frit Bonden, Niedertemperatur-Bonden oder durch adhäsives Bonden, beispielsweise mit Klebstoff oder Photolack erfolgen. Besteht zumindest eine der Schichten aus einem anderen Material als Silizium, beispielsweise aus Glas, Kunststoff oder Keramik, wird das dauerhafte und hermetische Verbinden der Schichten an die Art der Verbindungsflächen angepasst. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist der Filter auch Einrichtungen zur Ein- und Auskopplung des zu filternden Signals auf. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegen diese in Form von MSLs (microstrip lines) vor. Besonders bevorzugt haben die MSLs eine Breite im Bereich von 1 bis 10 Mikrometern und eine Länge im Bereich von 100 bis 1000 Mikrometern. Die MSLs können zur besseren Ein- bzw. Auskopplung des Signals auch mit einem Dielektrikum gefüllt sein oder daraus bestehen. Die Länge der MSL kann dabei beliebig sein.
  • Bevorzugt sind die Geometrien des Filters und insbesondere der Resonanzkavitäten so bemessen, dass sie für den Einsatz des Filters im Mikro- bis Millimeterwellenbereich ausgelegt sind. Nach einer anderen Ausführungsform sind die Geometrien so bemessen, dass der Filter für den Einsatz in Bereichen kleinerer, nach einer weiteren Ausführungsform für den Einsatz in Bereichen größerer Wellenlängen geeignet ist. Diese Anpassung kann bevorzugt durch eine Vergrößerung bzw. Verkleinerung und hierbei insbesondere einer Verlängerung bzw. Verkürzung der Resonanzkavitäten erreicht werden.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Geometrien der Resonanzkavitäten derart ausgestaltet, dass sie veränderbar sind, wodurch der Betriebswellenlängenbereich ebenfalls veränderbar wird. Auf diese Weise kann der Filter an unterschiedliche Aufgaben angepasst werden, ohne ihn ersetzen zu müssen.
  • Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Filter abstimmbar ausgestaltet. Das bedeutet, dass er über geeignete Einrichtungen verfügt, die eine einfache und dauerhafte Änderung des Betriebswellenlängenbereiches in gewissen Grenzen ermöglichen. Da die Eigenschaften von Resonanzfiltern aufgrund leichter Variationen im Herstellungsprozess ebenfalls gewissen Variationen unterliegen und/oder Temperaturänderungen im laufenden Betrieb erfahren, die insbesondere auch ihre Resonanzfrequenz betreffen, die unter anderem für ihren Betriebswellenlängenbereich maßgeblich ist, ist es vorteilhaft, wenn nach der Fertigung eines Filters eine Möglichkeit zum nachträglichen Feinabstimmen der Resonanzfrequenz gegeben ist. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass geometrische Merkmale wie kürzbar ausgestaltete Zungen, vergrößerbar ausgestaltete Durchgänge zu Nebenkammern, abtragbar ausgestaltete Schichten oder ähnliches vorgesehen sind, die durch äußere Einwirkung, beispielsweise mittels Laserablation, leicht so verändert werden können, dass sie die Resonanzfrequenz entsprechend beeinflussen. Dies kann auch elektronisch mit einer integrierten Schaltung zur Frequenzabstimmung geschehen und/oder dadurch, dass im Filter weitere gekoppelten Strukturen integriert sind, die einen Teil der Leistung aus dem Hohlraum auskoppeln. Solche Strukturen können ferroelektrische Abstimmdioden oder Kapazitätsdioden sein, deren Kapazität beispielsweise durch Anlegen einer Spannung und/oder Änderung der Temperatur verstimmbar ist. Weitere Einrichtungen zur Abstimmung umfassen Komponente mit einem oder mehreren integrierten Kondensatoren, deren Kapazitäten geändert werden können, beispielsweise durch elektrooptische und/oder thermooptische Veränderungen von vorhandenen Polymeren oder dadurch, dass Kondensatoren aus einem festen und einem beweglichen Teil bestehen, beispielsweise aus einer Membrane oder einem Streifen, die sich gegenüberstehen und gegenseitig isoliert sind, wobei die Verschiebung des beweglichen Teils elektrostatisch, piezoelektrisch und/oder thermisch betätigt wird. Noch weitere Einrichtungen zur Abstimmung des Filters umfassen Stichleitungen, die durch Laserstrahlinduzierte Materialveränderungen abgeglichen werden. Nach anderen Ausführungsformen kann mindestens eine der Schichten des Filters anstelle aus Silizium aus einem Material wie Glas, Kunststoff und Keramik bestehe. Je nach Anforderung an die Betriebsumgebung des Filters (z.B. besonders hohe Temperaturen) und Möglichkeiten der zugrunde liegenden Fertigungstechnologie kann die Verwendung eines anderen Materials als Silizium sinnvoll oder auch notwendig sein.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Filters weist die erste Schicht eine Dicke im Bereich von 1.200 Mikrometern und die zweite Schicht eine Dicke im Bereich von 200 Mikrometern auf. Nach anderen Ausführungsformen können beide Schichten gleich dick sein. Nach wieder einer anderen Ausführungsform können beide Schichten ursprünglich aus einer Schicht bestehen, die nach dem Einbringen der entsprechenden Strukturen (insbesondere der Kavitäten) in einzelne Segmente aufgetrennt wird, welche dann die erste bzw. die zweite Schicht bilden. Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Resonanzfilter demnach in einer ersten, dickeren Schicht zwei Resonanzkavitäten mit einem rechteckigen Grundriss und einem trapezförmigen Querschnitt und außerdem eine Trennwand auf, die dergestalt angeordnet ist, dass sie beide Resonanzkavitäten voneinander trennt. Außerdem weist er eine in einer zweiten, dünneren Schicht angeordnete und ebenfalls rechteckige, bevorzugt jedoch kleinere Kopplungskavität mit einem trapezförmigen Querschnitt auf. Dabei sind die lateralen Abmessungen der Kopplungskavität zumindest so groß, dass diese wenigstens einige Mikrometer größer als die Dicke der Trennwand ist. Die Kopplungsaktivität reicht dabei typischerweise ca. 100 bis 500 Mikrometern über die Trennwand hinaus. Die zweite Schicht und die erste Schicht sind dergestalt übereinanderlegbar ausgestaltet, dass die Kopplungskavität, wenn sie über der Trennwand angeordnet ist, diese in Richtung der Resonanzkavitäten beidseitig symmetrisch überragt, so dass sie eine Verbindung zwischen beiden Resonanzkavitäten bildet. Zusätzlich weist der Filter außerdem Einrichtungen zur Ein- und Auskopplung in Form von MSLs (microstrip lines) auf, die jeweils auf der außenliegenden Oberfläche der zweiten Schicht angeordnet sind und eine Position und Länge aufweisen, aufgrund derer sich jede MSL zumindest teilweise oberhalb der jeweils darunter liegenden Resonatorkavität befinden, so dass eine gute Ein- und Auskoppelung des Signals gewährleistet ist.Wie bereits weiter oben angesprochen, wird auch ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Resonanzfilters bereitgestellt. Dieses Verfahren nutzt bevorzugt mikrotechnische Fertigungsverfahren für Siliziumwafer, wobei klar ist, dass im Falle anderer Filtermaterialen (insbesondere im Hinblick auf die Materialien der ersten und/oder zweiten Schicht) ein entsprechend an das Material angepasstes Fertigungsverfahren ausgewählt werden muss. Daher sind die in den hier aufgezählten Schritten genannten Ausführungsformen nicht als Einschränkung, sondern vielmehr als Richtschnur aufzufassen.
  • Demnach weist das Verfahren folgende Schritte auf:
    • Bereitstellen einer ersten Schicht, die bevorzugt aus Silizium besteht;
    • Maskieren der ersten Schicht, beispielsweise mittels entsprechender Resists und Belichtungsverfahren;
    • Herstellen von Resonanzkavitäten in der ersten Schicht, bevorzugt mittels Ätzen;
    • Bereitstellen einer zweiten Schicht, die bevorzugt ebenfalls aus Silizium besteht;
    • Maskieren der zweiten Schicht, vorzugsweise mit denselben Methoden wie die erste Schicht;
    • Herstellen einer oder mehrerer Kopplungskavitäten in der zweiten Schicht, bevorzugt ebenfalls mit denselben Methoden wie die erste Schicht;
    • Positionieren der zweiten Schicht auf der ersten Schicht, so dass die Resonanzkavitäten mittels der Kopplungskavität(en) miteinander verbunden werden, wobei sich die Kopplungskavität(en) oberhalb der Trennwand bzw. der Trennwände befinden und diese überbrücken;
    • dauerhaftes Verbinden der positionierten ersten und zweiten Schicht miteinander, so dass der Verbindungsspalt hermetisch dicht ist, wobei bevorzugt Verfahren aus der Mikroelektronik oder Mikrotechnik, wie zum Beispiel Waferbonden oder Kleben, zum Einsatz kommen.
  • Die Reihenfolge der hier aufgezählten Schritte kann ggf. dahingehend variiert werden, dass bestimmte Schritte wie z.B. das Maskieren zur Rationalisierung zusammengefasst werden können. Beispielsweise können beide Schichten parallel maskiert und anschließend gemeinsam behandelt (z.B. geätzt) werden, wobei das Maskieren und Behandeln zumindest zeitlich parallel erfolgen kann, aber auch räumlich parallelisierbar ist. Das bedeutet, dass beide Schichten zunächst aus einer einzigen Schicht bestehen, dann maskiert, behandelt, und schließlich voneinander getrennt werden.
  • Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Behandlung der Schichten insbesondere zur Herstellung der Kavitäten mittels KOH- oder TMAH-Ätzen. Diese Verfahren zur Behandlung von Silizium sind seit langem etablierter Stand der Technik und daher besonders kostengünstig und erprobt in ihrer Anwendung.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Siliziumschichten vor oder nach ihrem Zusammenbringen einseitig oder beidseitig metallisiert und/oder strukturiert. Da Gold eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, nicht oxidiert und beim Thermokompressionsbonden verwendet werden kann, wird vorzugsweise Gold für die sehr dünne Metallisierung verwendet. Andere Materialien, die ebenfalls über eine gute elektrische Leitfähigkeit verfügen, können für die Metallisierung der Schichten auch verwendet werden, wie z.B. Kupfer, Aluminium oder andere Metallegierungen. Die weitere Strukturierung der Schichten erfolgt durch konventionelles Aufschleudem von Fotolack, Belichtung und anschließendes Trocken- und/oder Nassätzen.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das dauerhafte Verbinden der Schichten durch Thermokompressionsbonden der Schichten. Nach einer weiteren Ausführungsform erfolgt das dauerhafte und hermetische Verbinden der Schichten durch anodisches Bonden, Silizium-Direktbonden, Glas-Frit Bonden, Niedertemperatur-Bonden oder durch adhäsives Bonden, beispielsweise mit Klebstoff oder Photolacke. Besteht zumindest eine der Schichten aus einem anderen Material als Silizium wird das dauerhafte und hermetische Verbinden der Schichten an die Art der Schnittstelle angepasst.
  • Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform, in welcher Kunststoff als Schichtmaterial zum Einsatz kommt, erfolgt die Herstellung der Kavitäten mittels Heißprägen, Spritzgießen oder so genannten Nano-Imprint-Verfahren. Bei geringen Stückzahlen und sehr hohen geforderten Genauigkeiten bietet sich das Heißprägen als besonders bevorzugtes Fertigungsverfahren an. Für sehr hohe Stückzahlen und weniger hohe Anforderungen an die Genauigkeit kann das Spritzgießen als Herstellungsverfahren gewählt werden. Im Falle extrem kleiner Geometrien (Kavitätstiefen von einem Mikrometer) und ebenfalls großen Stückzahlen kann bevorzugt das Nano-Imprint-Verfahren zur Fertigung ausgewählt werden, bei welchem beispielsweise mittels einer erhitzten Rolle hochgenaue Strukturen in den Kunststoff eingeprägt werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform, in welcher Glas als Schichtmaterial zum Einsatz kommt, können bevorzugt Glasätztechniken oder besonders bevorzugt fotostrukturierbares Glas genutzt werden.
  • Nach noch einer weiteren Ausführungsform, in welcher Keramik als Schichtmaterial zum Einsatz kommt, können bevorzugt Sintertechniken Verwendung finden.
  • Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine kostengünstige und einfache Herstellbarkeit des erfindungsgemäßen Resonanzfilters sichergestellt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Filter
    2
    erste Schicht, erster Wafer
    3
    zweite Schicht, zweiter Wafer
    4
    Resonanzkavität, Kavität
    5
    Kopplungskavität, Kavität
    6
    Eingang
    7
    Ausgang
    8
    Trennwand

Claims (10)

  1. Resonanzfilter (1) aus Silizium zum Einsatz im Mikro- und Millimeterwellenbereich, der folgendes aufweist:
    (a) eine ersten Schicht (2) mit n aneinander grenzenden Resonanzkavitäten (4), wobei n mindestens 2 ist, und die jeweils durch eine Trennwand (8) voneinander getrennt sind;
    (b) eine zweite Schicht (3) mit zumindest n-1 Kopplungskavitäten (5);
    dadurch gekennzeichnet, dass die Kavitäten (4) der ersten Schicht (2) ausschließlich als Resonanzkavitäten (4) und der zweiten Schicht (3) ausschließlich als Kopplungskavität(en) (5) ausgebildet sind, und einseitig offen sind, und dass die zweite Schicht (3) auf der ersten Schicht (2) derart angeordnet ist, dass die einzelnen Resonanzkavitäten (4) der ersten Schicht (2) mittels des bzw. der Kopplungskavitäten (5) der zweiten Schicht (3) untereinander verbunden sind, und dass der Filter (1) als monolithisches Bauteil ausgebildet ist.
  2. Filter nach Anspruch 1, weiter aufweisend Einrichtungen (6), (7) zur Ein- und Auskopplung des zu filternden Signals in Form von MSLs (microstrip lines).
  3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrien seiner Resonanzkavitäten (4) für den Einsatz des Filters im Mikro- bis Millimeterwellenbereich ausgelegt sind.
  4. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem mindestens eine der Schichten (2), (3) anstelle aus Silizium aus einem Material aus der Gruppe umfassend Glas, Kunststoff und Keramik besteht.
  5. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (2) eine Dicke im Bereich von 1.200 Mikrometern und die zweite Schicht (3) eine Dicke im Bereich von 200 Mikrometern aufweist.
  6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er in einer ersten, dickeren Schicht (2) zwei Resonanzkavitäten (4) mit einem rechteckigen Grundriss und einem trapezförmigen Querschnitt außerdem eine Trennwand (8) aufweist, die dergestalt angeordnet ist, dass sie beide Resonanzkavitäten (4) voneinander trennt, und dass er außerdem eine in einer zweiten, dünneren Schicht (3) eine ebenfalls rechteckige, jedoch kleinere Kopplungskavität (5) mit einem trapezförmigen Querschnitt aufweist, deren laterale Abmessungen zumindest so groß sind, dass die Kopplungskavität (5) wenigstens einige Mikrometer größer als die Dicke der Trennwand (8) ist, und dass die zweite Schicht (3) und die erste Schicht (2) dergestalt übereinanderlegbar ausgestaltet sind, dass die Kopplungskavität (5), wenn sie über der Trennwand (8) angeordnet ist, diese in Richtung der Resonanzkavitäten (4) beidseitig symmetrisch überragt, so dass sie eine Verbindung zwischen beiden Resonanzkavitäten (4) bildet, und dass er außerdem Einrichtungen zur Ein- und Auskopplung (6), (7) in Form von MSLs (microstrip lines) aufweist, die jeweils auf der außenliegenden Oberfläche der zweiten Schicht (3) angeordnet sind und eine Länge aufweisen, aufgrund derer sich jede MSL zumindest teilweise oberhalb der jeweils darunter liegenden Resonatorkavität (4) befindet.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Resonanzfilters (1) mittels mikrotechnischer Fertigungsverfahren aus einem Siliziumwafer, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
    a) Bereitstellen einer ersten Schicht (2);
    b) Maskieren der ersten Schicht (2);
    c) Herstellen von Resonanzkavitäten (4) mittels Ätzen in der ersten Schicht (2);
    d) Bereitstellen einer zweiten Schicht (3);
    e) Maskieren der zweiten Schicht (3);
    f) Herstellen einer oder mehrerer Kopplungskavitäten (5) mittels Ätzen in der zweiten Schicht (5);
    g) Positionieren der zweiten Schicht (3) auf der ersten Schicht (2), so dass die Resonanzkavitäten (4) mittels der Kopplungskavität(en) (5) miteinander verbunden werden;
    h) dauerhaftes Verbinden der positionierten Schichten (2), (3), so dass der Verbindungsspalt hermetisch dicht ist,
    wobei die Kavitäten (4) der ersten Schicht (2) ausschließlich als Resonanzkavitäten (4) und der zweiten Schicht (3) ausschließlich als Kopplungskavität(en) (5) ausgebildet sind.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei nach Schritt c) die Metallisierung der ersten Schicht auf der Seite mit den Resonanzkavitäten folgt
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei nach Schritt f) die Metallisierung und Strukturierung der Metallschicht auf beiden Seiten der zweiten Schicht folgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 7 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Kavitäten (4), (5) mittels KOH- oder TMAH-Ätzen erfolgt.
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