基于MEMS技術(shù)的微波濾波器研究進(jìn)展

濾波器作為一種選頻元件，用來抑制噪聲、選擇或限定RF/微波信號的頻段范圍，在許多RF/微波應(yīng)用中起著重要的作用。傳統(tǒng)的濾波器體積大、制造成 本高并且不容易與單片集成電路集成，在毫米波頻段內(nèi)損耗大，而由微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)等領(lǐng)域交叉融合而產(chǎn)生的MEMS 技術(shù)，具有小型化、多樣化以及可集成化的特點(diǎn) 。

MEMS 技術(shù)與RF技術(shù)的結(jié)合，即RF MEMS 技術(shù)，為新一代獨(dú)特的、高性能濾波器的實(shí)現(xiàn)提供了新的機(jī)遇。目前人們將MEMS 技術(shù)運(yùn)用到RF/微波濾波器的設(shè)計(jì)制造中，得到了高性能、小尺寸、重量輕，并且成本低的MEMS 濾波器。MEMS RF/微波濾波器可以用集總元件設(shè)計(jì)也可以用分布元件設(shè)計(jì)，它們可以利用各種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，例如微帶線、波導(dǎo)腔、共面波導(dǎo)等。當(dāng)然，它們也可以由多種制造工藝 實(shí)現(xiàn)。

1、硅體微加工MEMS濾波器

硅體微加工技術(shù)是通過對襯底硅的腐蝕加工來實(shí)現(xiàn)器件的立體結(jié)構(gòu)，并且常輔以Si-Si 晶片鍵合和Si-玻璃鍵合等手段。由于單晶硅有晶向的區(qū)分，可以用化學(xué)的方法( 如用KOH) 實(shí)現(xiàn)很好的各向異性選擇性刻蝕，這是硅體微加工的基礎(chǔ)。硅體微加工技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)較大縱向尺寸的立體加工?；诠梵w微加工技術(shù)，人們實(shí)現(xiàn)了多種 MEMS濾波器。

1.1、薄膜和微帶線濾波器

為了減小高頻段時(shí)來自于襯底的損耗，利用硅體微加工技術(shù)的乙二胺鄰苯二酚濕法刻蝕硅形成的腔體實(shí)現(xiàn)微帶線的懸空，S. V. Robertson 等人制作了W波段( 94.7 GHz) 耦合線帶通濾波器。濾波器的幾何圖形被制作在一個(gè)由薄膜支撐的傳輸線上，如圖1所示，傳輸線就相當(dāng)于懸浮在空氣介質(zhì)中，介質(zhì)損耗幾乎可以被忽略，且能避免 遭受輻射和產(chǎn)生色散寄生效應(yīng)。該濾波器的通帶插損為3.6 dB，其中導(dǎo)體損耗是整個(gè)部件插損的主要組成部分。部件的相對帶寬為6.1%。與該技術(shù)類似，M. Chatras 等人在高阻硅襯底上實(shí)現(xiàn)了中心頻率為30 GHz 的高性能帶通薄膜濾波器。薄膜下的硅用四甲基氫氧化氨( tetramethyl ammonium hydroxide，TMAH) 選擇性刻蝕。該濾波器插入損耗只有1.8 dB，并且易于集成到利用倒裝芯片技術(shù)的電路中。

圖1 W波段耦合帶通濾波器側(cè)視圖

1.2、微機(jī)械腔體諧振器和濾波器

利用硅體微加工得到的腔體做諧振腔，也可以實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)。

J. Papapolymerou 等人提出的X 波段腔體諧振器，由輸入輸出微帶線和微機(jī)械腔體組成，空腔通過兩個(gè)狹縫耦合到兩個(gè)微帶線上( 圖2 (a)) 。兩個(gè)微帶線利用淀積7.5 μm 厚的金以減小損耗；腔體金屬化層的厚度為2 μm。與其他傳統(tǒng)的金屬矩形、圓形波導(dǎo)諧振器相比，該諧振器尺寸大大地減小，并有高的Q 值( 無載Q=506，是傳統(tǒng)微帶濾波器的4 倍) 。

L. Harle 等人在硅上用狹縫耦合微機(jī)械腔實(shí)現(xiàn)了中心頻率為10 GHz 的帶通濾波器( 圖2 (b)) 。模擬的帶寬為4%，插入損耗在10.2 GHz 時(shí)為0.9 dB。測得的濾波器的帶寬為3.7%，插入損耗在10.01 GHz 時(shí)為2 dB，損耗的差異取決于微帶傳輸線的過渡和線長。濾波器的整體尺寸為5 cm×3 cm×2 600 μm。該濾波器的特點(diǎn)是低損耗、窄帶寬、小尺寸以及易于單片電路集成，并且由于表面電流分布于大的導(dǎo)體表面而有強(qiáng)的功率負(fù)載能力。

圖2 微機(jī)械腔體諧振器和濾波器

1.3、薄膜聲體波諧振器與濾波器

薄膜聲體波諧振器( thin-film bulk acousticwave resonator，TFBAR) 的概念早在20 世紀(jì)60 年代就已出現(xiàn)，但其發(fā)展一直受制于微細(xì)加工工藝技術(shù)的水平。隨著MEMS 技術(shù)的興起及其加工工藝的進(jìn)步，使可靠、可重復(fù)地制備TFBAR 成為可能，同時(shí)也由于RF 前端模塊中通用的陶瓷或聲表面波( surface acoustic-wave，SAW) 濾波器進(jìn)入GHz 頻段后隨著工作頻率的增加性能退化等原因，許多人開始研究開發(fā)基于TFBAR 的RF/微波濾波器。

薄膜聲體波濾波器通過壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)將電能量轉(zhuǎn)換成聲波形成諧振，在體積、功率負(fù)載等方面都比SAW濾波器具有優(yōu) 勢。K. Misu 等人用鈦酸鉛材料做壓電薄膜制作了體聲波濾波器，如圖3 所示。將部件的兩個(gè)電極設(shè)計(jì)成能被自由調(diào)整，在所需頻率上產(chǎn)生振蕩。兩個(gè)電極還起著反射器的作用，用以抵消無用聲波。采用硅體微加工工藝刻蝕去除下部的襯 底材料形成腔體，利用空氣-金屬界面得到聲體波的全反射，從而將聲體波限制在壓電薄膜和金屬電極內(nèi)。得到的濾波器整個(gè)部件的尺寸為0.69 mm×0.55 mm，在1.5 GHz 時(shí)的3 dB 帶寬為47 MHz。Y.D. Kim等人[8]利用以這種類似結(jié)構(gòu)為基本單元的一種階梯拓樸結(jié)構(gòu)研制出的濾波器，在5GHz 濾段插入損耗只有2.8 dB。

圖3 薄膜體聲波濾波器

對于硅體微加工工藝來講，硅的化學(xué)刻蝕由于依賴于晶向，使得器件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的進(jìn)一步縮小都受到了限制。另外，襯底硅的大量刻蝕也會(huì)降低器件的機(jī)械強(qiáng)度。