基于硅MEMS腔体技术的微波带通滤波器_陈熙.pdf.doc

第卷 第期微纳电子技术 年月 毷櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴毷櫴与传感器櫴毷櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴毷基于硅 腔体技术的微波带通滤波器陈 熙，李 丰，马文涛，李宏军（中国电子科技集团公司 第十三研究所，石家庄 ）摘要：基于硅 腔体技术的微波带通滤波器是微波通信系统中的关键器件。开发了一种利 用硅 腔体技术制作的微波带通滤波器。采用梳状结构四分之一波长谐振器级联形成微波 带通滤波器，利用全波三维电磁场仿真设计软件进行了设计、建模、仿真和优化，并使用微机械 加工 （）工艺技术在高阻硅衬底上加工，形成滤波器。仿真和实测结果表明，硅 腔体带通滤波器的尺寸仅为 ，质量不足 ，并且所得仿真和实测性能 结果一致性较好。与传统的金属矩形圆形波导滤波器以及滤波器相比，硅 腔体带通 滤波器的体积和质量是前者的几百分之一。此外硅 腔体带通滤波器还具有高抑制度、一致性好及易于集成等优点。关键词：硅 腔体；硅体微加工；带通滤波器；梳状结构；谐振器中图分类号：； 文献标识码： 文章编号： （） ， ， ， （ ，）： ， ， ， ， ， ， ，收稿日期：微 纳 电 子 技 术 ： （）； ； ； ；： ：； 引 言滤波器在射频微波系统中起着选频滤波的 重要作用。传统的腔体和 滤波器体积大、制 造成本高并且不易与多芯片互联集成，滤波器、多层介质板滤波器由于加工精度不高， 导致一致性差，矩形度低。而由微电子技术 与化学、机械和光学等领域交叉融合而产生的技术 ，具有体积小 、结构灵活以及易于集 成的特点。等人将 开关和 腔体滤波器集成，制作了可调滤波器。技 术与射频微波技术的结合，即射频微波 技术，为新一代独特的小型高性能滤波器的实现 提供了新的方向。本文研究了一种利用硅 腔体技术制作的微波带通滤波器的方法，并完成 了滤波器的设计、建模、仿 真、优化、制造 和 测试。技术实现很好的各向异性选择性刻蚀，形成通孔结 构。除此之外，还利用 刻蚀 （干法）保证非 常高的几何加工精度，以确保谐振频率的精度。滤波器要求刻蚀具有良好的深宽比和陡直度。 硅 腔体微加工技术可以方便地实现较大纵向尺寸的立体加工。基于该技术，实现了硅腔体滤波器。 梳状滤波器理论目前，滤波器的综合设计广泛采用的是以集总 参数网络设计为基础的原型电路设计法。有了原型 电路，只需根据一定的变换关系，把原型电路的元 件值变换为实际电路的元件值，即可完成实际滤波 器的设计。图所示为微波梳状带通滤波器的原理 图，从图中可以看到，梳状滤波器采用抽头结构进 行输入输出，利用多个一端短路、一端开路的四分 之一波长谐振器级联形成滤波器。 硅 腔体微加工技术硅 腔体微加工技术是通过对衬底硅的 刻蚀加工来实现器件的立体结构 （如图所示）， 并且常辅以圆片键合和 圆片键合等手 段。由于单晶硅有晶向的区分，可以利用湿法刻蚀硅衬底刻蚀槽图 高深宽比刻蚀技术加工的器件 结构的显微镜照片 图 梳状滤波器原理图 本文研究的滤波器采用梳状结构的短路线谐振 器，谐振器的长度为（） （）槡式中： 为信号在介质中的波长； 为谐振频率； 为光速；为介质相对介电常数。陈 熙等：基于硅 腔体技术的微波带通滤波器根据滤波器的中心频率 和相对带宽 ，0.006可以得到滤波器的基本参数。其中 表示第0.005个谐振器和第个谐振器之间的耦合系数，0.004表示第个谐振器和第个谐振器之间的耦合系M数，表示第个谐振器和第个谐振器之间0.003的耦合系数， 表示第个谐振器和第个谐0.002振器之间的耦合系数， 表示第个谐振器和0.0010100 200300 400 500 600700800第个谐振器之间的耦合系数耦合系数的计算d/滋m。公式为图 滤波器耦合系数曲线图 （）槡 模型的建立（）槡（）槡式中 由网络综合法得到。梳状滤波器结构复杂，影响谐振和耦 合的因素很多，包括硅介质的相对介电常数、介质 厚度、金属厚度以及接地孔的位置和大小。为了排 除各种影响，精确设计中心频率和带宽，并计算耦 合系数。图为 梳状谐振器耦合系数模型。 谐振器之间的耦合随谐振器间距的增加而减小。耦 合系数为为了提高计算精度，根据梳状线带通滤波器的 设计原理和计算公式，采用仿真软件进行建模，滤波器采用纯净的高阻硅作为衬底，在硅体内部刻蚀 空腔和图形，形成硅腔体结构，实现滤波特性。滤 波器是由两个硅片经过键合工艺结合到一起， 具有良好的电磁屏蔽性，如图所示。（） 式中，和为两个相互耦合谐振器的谐振频 率。经过仿真计算得到耦合系数 随谐振器间距 的变 化 曲 线， 如 图 所 示， 图 中 为 谐 振 杆 间距。图 滤波器耦合模型 图 键合实现硅腔体示意图 在三维电磁场仿真软件中建立产品的三维模 型，模型采用梳状谐振器，输入输出采用抽头耦合 结构，滤波器四周采用大量的接地孔进行电磁屏 蔽，上下表面全部镀金，形成腔体。具体结构如图所示。图 滤波器模型 利用优化算法进行计算后，滤波器的中心频率 为 ， 带宽为 ，插入损耗为微 纳 电 子 技 术 ，回波损耗约 为 ，带外抑制大于 ，滤波器具有良好的宽阻带抑制特性，寄生通带大于 。仿真的最终结果如图所示。0-10.00-20.00-30.00/dB-40.00S1121S，-50.0011S-60.00-70.00S21-80.00-90.00-100.006.008.0010.00 12.00 14.0016.00 18.00 20.00 22.00f0 /GHz图 滤波器仿真曲线 滤波器的加工制作利用 工艺在硅片上将优化后的版图尺 寸刻蚀成图形，硅片采用介电常数为、厚度 为 的高阻硅，金属图型采用厚度接近 的金层实现。滤波器尺寸为 ，质量不足 。图和图分别是根据 仿真的滤波器参数制作的 滤波器实物及其 幅频响应。输入和输出采用共面波导线，通过将滤 波器和一枚五角面值的人民币进行对比，可以看到滤波器具有体积小、一致性好等优点。从 实测结果来看， 滤波器的中心频率 ， 带宽 ，插入损耗 ，回波损耗 ，带外抑制可达 ，此外还具有较高的矩形系数、很小的回波图 滤波器照片 损耗和良好的本底噪声。滤波器实物的测量采用的 是微波探针台和矢量网络分析仪，仿真波形和实测 波形吻合较好。产品在加工过程中由于材料特性和 工艺的误差，导致实测产品的损耗略微变大，带宽 略微变窄，但不影响本文方法的正确性。0-5-10-15/dB-20-2511S-30-35-40-45-50 7891011 1213 1415 16 17 18f0 /GHz（a）输入端口的回波损耗0-10-20-30/dB-4021-50S-60-70-80-90-1007891011 1213 1415 16 17 18f0 /GHz（b） 传输曲线图 滤波器实测曲线 结 论硅 腔体微波带通滤波器具有尺寸小、 质量轻、抑制度高及易于集成等优点，通过合理的 设计完全能够达到常规腔体滤波器的性能指标。本文以硅 腔体滤波器为研究对象，研究工作 主要集中在常规滤波器的 实现方面。根据 仿真优化的最佳尺寸制作产品，并进行了测试。通过仿真结果和实测结果的分析和对比，验证了本文 设计方法的正确性和有效性。参考文献： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）：陈 熙等：基于硅 腔体技术的微波带通滤波器，： 梁昌洪，谢拥军，官伯然简明微波 西安：高等教育 ，（）：出版社， ： ，马冲，冯少阳，杨小雪微波滤波器耦合系数的仿真与优化 全国微波毫米波会议 青岛，中国，： 甘本祓，吴万春现代微波滤波器的结构与设计 （上、下 ， （）：册） ：，： 北京科学出版社 ， 作者简介:， （）： 陈熙 （198） ， 男， 河北冀州人， 硕士， 工程师，主要研究方向为电磁场与， ， 微波技术。（）： ， ， ， 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（上接第页） ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ，（）：作者简介:杨红伟 （1977） ， 男， 河北唐县人，高级工程师， 主要从事 GaAs 与 InP 基光电子材料、 器件及芯片的研究。檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（）上接第页郭宏 低量程高精度压力传感器芯片设