基于MEMS技术的微波滤波器研究进展

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[1] 。

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( ethylenediamine pyrocatechol，EDP) 湿法刻蚀硅形成的腔体实现微带线的悬空，S. V. Robertson 等人[2] 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[3]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[4] 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[5]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[6-8]。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[6]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。