基于MEMS技术的微波滤波器研究进展 - 全文

　　滤波器作为一种选频元件，用来抑制噪声、选择或限定RF/微波信号的频段范围，在许多RF/微波应用中起着重要的作用。传统的滤波器体积大、制造成 本高并且不容易与单片集成电路集成，在毫米波频段内损耗大，而由微电子技术与机械、光学等领域交叉融合而产生的MEMS 技术，具有小型化、多样化以及可集成化的特点 。

　　MEMS 技术与RF技术的结合，即RF MEMS 技术，为新一代独特的、高性能滤波器的实现提供了新的机遇。目前人们将MEMS 技术运用到RF/微波滤波器的设计制造中，得到了高性能、小尺寸、重量轻，并且成本低的MEMS 滤波器。MEMS RF/微波滤波器可以用集总元件设计也可以用分布元件设计，它们可以利用各种结构实现，例如微带线、波导腔、共面波导等。当然，它们也可以由多种制造工艺 实现。

　　1、硅体微加工MEMS滤波器

　　硅体微加工技术是通过对衬底硅的腐蚀加工来实现器件的立体结构，并且常辅以Si-Si 晶片键合和Si-玻璃键合等手段。由于单晶硅有晶向的区分，可以用化学的方法（ 如用KOH） 实现很好的各向异性选择性刻蚀，这是硅体微加工的基础。硅体微加工技术可以方便地实现较大纵向尺寸的立体加工。基于硅体微加工技术，人们实现了多种 MEMS滤波器。

　　1.1、薄膜和微带线滤波器

　　为了减小高频段时来自于衬底的损耗，利用硅体微加工技术的乙二胺邻苯二酚湿法刻蚀硅形成的腔体实现微带线的悬空，S. V. Robertson 等人制作了W波段（ 94.7 GHz） 耦合线带通滤波器。滤波器的几何图形被制作在一个由薄膜支撑的传输线上，如图1所示，传输线就相当于悬浮在空气介质中，介质损耗几乎可以被忽略，且能避免 遭受辐射和产生色散寄生效应。该滤波器的通带插损为3.6 dB，其中导体损耗是整个部件插损的主要组成部分。部件的相对带宽为6.1%。与该技术类似，M. Chatras 等人在高阻硅衬底上实现了中心频率为30 GHz 的高性能带通薄膜滤波器。薄膜下的硅用四甲基氢氧化氨（ tetramethyl ammonium hydroxide，TMAH） 选择性刻蚀。该滤波器插入损耗只有1.8 dB，并且易于集成到利用倒装芯片技术的电路中。

　　图1 W波段耦合带通滤波器侧视图

　　1.2、微机械腔体谐振器和滤波器

　　利用硅体微加工得到的腔体做谐振腔，也可以实现滤波器的设计。

　　J. Papapolymerou 等人提出的X 波段腔体谐振器，由输入输出微带线和微机械腔体组成，空腔通过两个狭缝耦合到两个微带线上（ 图2 （a）） 。两个微带线利用淀积7.5 μm 厚的金以减小损耗；腔体金属化层的厚度为2 μm。与其他传统的金属矩形、圆形波导谐振器相比，该谐振器尺寸大大地减小，并有高的Q 值（ 无载Q=506，是传统微带滤波器的4 倍） 。

　　L. Harle 等人在硅上用狭缝耦合微机械腔实现了中心频率为10 GHz 的带通滤波器（ 图2 （b）） 。模拟的带宽为4%，插入损耗在10.2 GHz 时为0.9 dB。测得的滤波器的带宽为3.7%，插入损耗在10.01 GHz 时为2 dB，损耗的差异取决于微带传输线的过渡和线长。滤波器的整体尺寸为5 cm×3 cm×2 600 μm。该滤波器的特点是低损耗、窄带宽、小尺寸以及易于单片电路集成，并且由于表面电流分布于大的导体表面而有强的功率负载能力。

　　图2 微机械腔体谐振器和滤波器

　　1.3、薄膜声体波谐振器与滤波器

　　薄膜声体波谐振器（ thin-film bulk acousticwave resonator，TFBAR） 的概念早在20 世纪60 年代就已出现，但其发展一直受制于微细加工工艺技术的水平。随着MEMS 技术的兴起及其加工工艺的进步，使可靠、可重复地制备TFBAR 成为可能，同时也由于RF 前端模块中通用的陶瓷或声表面波（ surface acoustic-wave，SAW） 滤波器进入GHz 频段后随着工作频率的增加性能退化等原因，许多人开始研究开发基于TFBAR 的RF/微波滤波器。

　　薄膜声体波滤波器通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波形成谐振，在体积、功率负载等方面都比SAW滤波器具有优 势。K. Misu 等人用钛酸铅材料做压电薄膜制作了体声波滤波器，如图3 所示。将部件的两个电极设计成能被自由调整，在所需频率上产生振荡。两个电极还起着反射器的作用，用以抵消无用声波。采用硅体微加工工艺刻蚀去除下部的衬 底材料形成腔体，利用空气-金属界面得到声体波的全反射，从而将声体波限制在压电薄膜和金属电极内。得到的滤波器整个部件的尺寸为0.69 mm×0.55 mm，在1.5 GHz 时的3 dB 带宽为47 MHz。Y.D. Kim等人［8］利用以这种类似结构为基本单元的一种阶梯拓朴结构研制出的滤波器，在5GHz 滤段插入损耗只有2.8 dB。

　　图3 薄膜体声波滤波器

　　对于硅体微加工工艺来讲，硅的化学刻蚀由于依赖于晶向，使得器件的结构形状和尺寸的进一步缩小都受到了限制。另外，衬底硅的大量刻蚀也会降低器件的机械强度。

　　2、LIGA 平面传输线和滤波器

　　LIGA 一词来源于德语lithographie、galvanoformung和abformung 三个词语的缩写，表示深层光刻、电镀、模铸三种技术的有机结合。LIGA技术是实现MEMS 微加工的一个重要手段。它借鉴了平面IC 工艺中的光刻技术，但是它对材料加工的深宽比远大于标准IC 生产中的平面工艺和薄膜的亚微米光刻技术，可以实现高深宽比3D 微结构，且加工的厚度也远大于平面工艺的典型值2 μm。该工艺是利用深层辐射X 射线光刻，在厚的光刻胶层上设定所要求的模型。由X 射线作为光刻的光源，它的波长短，对光刻胶有较强的穿透力，能获得高的分辨率和高的深宽比。利用LIGA技术，T. L. Willke 等人在石英衬底上设计制作了耦合线型带通滤波器（ 图4） 。其中，LIGA 传输线为200 μm 厚的镍，有两个开路端口的！/4 平行线部分用作耦合单元，耦合气隙深宽比大于6.75。与传统的薄金属相比，LIGA 传输线和谐振器之间有更好的耦合系数。带通滤波器在14.6 GHz 时有最小的插入损耗，为0.15 dB。

　　3、MEMS 可调滤波器

　　近年来由于微波、毫米波波段的多频段、宽带无线通信系 统的迫切需要，基于MEMS 技术的可调谐滤波器逐渐引起了人们很大关注。这种滤波器由MEMS 开关、共平面传输线、可变电抗元件等构成，它们具有低插入损耗，高线性度、高Q 值和更好的三阶交调频率点功率性能。根据已有文献报道，微波MEMS 可调谐滤波器按调谐方式可分为连续可调型和数字可调型两类。

　　3.1、连续可调滤波器

　　模拟可调滤波器的调节范围比较小，一般为5%～15%，其可调元件为MEMS 可变容性元件。

　　图5 （a） 是H. T. Kim 等人用MEMS 技术设计和制作的两种微型V 波段MEMS 模拟可调滤波器。滤波器在高频段，用MEMS 技术把模拟集总可调滤波器模型与桥式金属-空气-金属（ metal-air-metal，MAM） 电容结合以增强频率可调，用石英来减小衬底损耗，用MAM电容来代替弱耦合从而减小高频下的辐射损耗。两种滤波器的中心频率分别为50 GHz 和65 GHz，通过直流电压控制可变电容的高度来调节滤波器的截止频率，其可调范围为10%，插入损耗约为3.3 dB。滤波器的芯片尺寸分别只有780 μm×1 970 μm 和670 μm×1 900 μm。

　　A. Abbaspour-Tamijani 等人提出了一种MEMS高Q 桥式可调电容，在石英玻璃衬底上实现了一种小型可调三级带通滤波器，如图5 （b） 所示。其核心则是周期性加载的CPW 慢波调谐器结构。N.S. Barker 等人［13］首先报道了这种分布式MEMS 传输线（DMTL） 结构，即在共面波导传输线上周期性加载MEMS 电容式开关，实现相速和电长度的改变。小型可调滤波器用CPW MEMS 慢波谐振器电感耦合得到，由于MEMS 桥的高Q 值，小型可调滤波器的中频插入损耗主要由CPW 结构的欧姆损耗和介质损耗决定，与CPW 的标准带通滤波器相比有更好的性能。通带中心频率从18.6 GHz 调节到21.44 GHz，带宽为7.5%，插损约为4 dB，Δf 》150 kHz 时IIP3 优于50 dBm。

　　图5 模拟可调带通滤波器

　　3.2、数字可调滤波器

　　数字型MEMS 可调滤波器相比于模拟型MEMS 可调滤波器，它的调节范围比较大，性能也比较稳定。数字可调型滤波器可以采用一个MEMS电容阵列，通过将大小不同的电容在滤波电路中分别接入和断开，实现离散的中心频率。

　　K. Entesari 等人利用MEMS 电容式开关和微带线，在玻璃衬底上制作了小型化4 位数字可调滤波器（ 图6） 。为了实现高的调谐分辨率，将电容式MEMS 开关与高Q 值MAM电容相串联形成电容库。器件在6.5~10 GHz 频段实现了数字调谐，较多MEMS 开关的使用使得其滤波特性又接近于连续可调。在整个调谐范围内，滤波器的相对带宽为（5.1±0.4） %，回波损耗优于16 dB，插入损耗在9.8GHz、6.5 GHz 时分别为4.1 dB 和5.6 dB。滤波器的整体尺寸为5 mm×4 mm。

　　图6 玻璃衬底上的6.5~10 GHz 频段数字可调滤波器

　　利 用两个λ/4 共面波导谐振器，E. Fourn 等人［15］还设计了一种两阶数字可调带通滤波器。谐振器与终端开路的短截线间的可变串联电容由悬臂梁式MEMS 开关实现。当悬臂梁被下拉的时候，由于谐振器的电容部分发生改变，谐振频率也发生变化。MEMS 开关处于上拉状态时，滤波器中心频率是21.05 GHz，3 dB 带宽为14%，插入损耗为3.5 dB；当开关下拉时，中心频率移到18.5 GHz，3 dB 带宽为13%，插入损耗为3.8 dB。

　　以上MEMS 可调滤波器，由于仅用一种可变容性电抗元件来达到频率调谐的目的，可调电感无法同时实现，也未能充分利用基于CPW周期性结构的微波/毫米波的 慢波特性，因此其可调范围有限。J. H. Park 等人报道了一种利用分形自相似结构来实现的低损耗可重构低通滤波器，将通带频段推向了毫米波段，它是通过同时利用可调电感和电容实现的。该滤波器 基于20 世纪80 年代美国科学家B. B. Mandelbrot 提出的分形理论，是一种按比例缩小/放大的自相似结构，从而达到多频段上实现可重构滤波的目标。图7 是制作的利用可调电感和电容获得的RF MEMS 可调低通滤波器。该滤波器采用单一驱动的多触点MEMS 开关实现滤波器重构的控制，使总的开关数目得以减小，也有效地降低了器件的插入损耗，并使得器件的整体尺寸得以减小。制备的滤波器3 dB 截止频率从67 GHz重构到28 GHz。

　　图7 分形可重构低通MEMS 滤波器

　　另外，通过将传输线谐振器做成“U”形以减小器件尺寸，A. Ocera 等人制作了新颖的MEMS可调发夹线型滤波器，如图8。该滤波器制作在525 μm 厚的高阻硅衬底上，通过10 个欧姆接触式MEMS 悬臂梁开关给发夹型滤波器的谐振器U 型分支增加传输线长度，来改变谐振器的开路短截线的长度，从而得到滤波器谐振频率的可调。滤波器在6.2 GHz 频率上有15%的带宽，并有着10%的调节范围，插入损耗和回波损耗分别为4.5 dB 和17 dB。

　　图8 MEMS 可调发夹型数字可调滤波器

　　除了上面的单刀单掷MEMS 开关实现的MEMS可调滤波器外，也有单刀多掷MEMS 开关实现的MEMS 可调滤波器的报道。I. C. Reines 等人利用单刀三掷开关设计了Ku 波段开关型可调带通滤波器。滤波器可调中心频率分别为14.9、16.2、17.8 GHz，在中间频段插入损耗小于2 dB，带宽约7.7%，三个频段的回波损耗优于10 dB。另外，为了适应复杂环境（ 例如要求高的隔离度） ，B. Pillans等人设计制作了级联的低通和高通滤波单元，实现了中心频率和带宽均可调的带通滤波器。滤波器在6~15 GHz 内实现了可调，带外衰减快（ 40 dB/GHz） ，隔离度大于50 dB。但它的插入损耗较大（ 4~11 dB） 。

　　4、结语

　　基于MEMS技术的滤波器是现在RF系统中的一个关键MEMS 器件。借助于MEMS 加工技术的进步及与射频/微波技术的结合，MEMS 滤波器的研究得到了快速的发展。MEMS 滤波器从RF 到毫米波段有很高的Q值、插入损耗低、线性好，适应现代日益复杂的RF 环境要求。其中，可调MEMS 滤波器的开发，有着更为迫切的现实意义，它有利于开发可调谐的收发模块，以改善多信道收发系统的性能，从而为新一代无线通信系统的开发起着不可或缺的积极 作用。