基于MEMS技術的微波濾波器研究進展

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，而由微電子技術與機械、光學等領域交叉融合而產(chǎn)生的MEMS 技術，具有小型化、多樣化以及可集成化的特點 。

MEMS 技術與RF技術的結合，即RF MEMS 技術，為新一代獨特的、高性能濾波器的實現(xiàn)提供了新的機遇。目前人們將MEMS 技術運用到RF/微波濾波器的設計制造中，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計也可以用分布元件設計，它們可以利用各種結構實現(xiàn)，例如微帶線、波導腔、共面波導等。當然，它們也可以由多種制造工藝 實現(xiàn)。

1、硅體微加工MEMS濾波器

硅體微加工技術是通過對襯底硅的腐蝕加工來實現(xiàn)器件的立體結構，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，可以用化學的方法( 如用KOH) 實現(xiàn)很好的各向異性選擇性刻蝕，這是硅體微加工的基礎。硅體微加工技術可以方便地實現(xiàn)較大縱向尺寸的立體加工?；诠梵w微加工技術，人們實現(xiàn)了多種 MEMS濾波器。

1.1、薄膜和微帶線濾波器

為了減小高頻段時來自于襯底的損耗，利用硅體微加工技術的乙二胺鄰苯二酚濕法刻蝕硅形成的腔體實現(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由薄膜支撐的傳輸線上，如圖1所示，傳輸線就相當于懸浮在空氣介質(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。該濾波器的通帶插損為3.6 dB，其中導體損耗是整個部件插損的主要組成部分。部件的相對帶寬為6.1%。與該技術類似，M. Chatras 等人在高阻硅襯底上實現(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的電路中。

圖1 W波段耦合帶通濾波器側視圖

1.2、微機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，也可以實現(xiàn)濾波器的設計。

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械腔體組成，空腔通過兩個狹縫耦合到兩個微帶線上( 圖2 (a)) 。兩個微帶線利用淀積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械腔實現(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體表面而有強的功率負載能力。

圖2 微機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60 年代就已出現(xiàn)，但其發(fā)展一直受制于微細加工工藝技術的水平。隨著MEMS 技術的興起及其加工工藝的進步，使可靠、可重復地制備TFBAR 成為可能，同時也由于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將電能量轉換成聲波形成諧振，在體積、功率負載等方面都比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。將部件的兩個電極設計成能被自由調(diào)整，在所需頻率上產(chǎn)生振蕩。兩個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)。得到的濾波器整個部件的尺寸為0.69 mm×0.55 mm，在1.5 GHz 時的3 dB 帶寬為47 MHz。Y.D. Kim等人[8]利用以這種類似結構為基本單元的一種階梯拓樸結構研制出的濾波器，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，硅的化學刻蝕由于依賴于晶向，使得器件的結構形狀和尺寸的進一步縮小都受到了限制。另外，襯底硅的大量刻蝕也會降低器件的機械強度。