基于MEMS共面波导腔的带阻滤波器的设计

　　1 引言

　　MEMS被认为是尺度特征在亚微米到微米数量范围，具有感知、控制和执行能力的微系统，广泛应用于很多行业(机械、航天、通信等)。在通信领域主要应用在两个方面：微光机电系统(MOMES, optical MEMS)和RF MEMS(Radio Frequency MEMS)。前者主要应用在光学通信中，后者主要应用在无线通信中。在RF MEMS研究中，利用MEMS实现一些射频系统中的关键器件成了近年来研究的热点，这些器件完全可以取代传统方法研究的射频器件(如开关、声表器件、谐振器、滤波器等)，且性能远远超过传统器件，因此这些射频微机械器件的研发倍受关注。

　　目前在MEMS中，构件材料主要是通过薄膜工艺制备，因此必须考虑如表面粗糙度、残余应力等因素。在薄膜工艺的射频微机械构件中，MEMS CPW传输线具有很多优点，它可在中心金属导带上利用微细工艺实现一些复杂结构，并通过蚀刻一些微腔隔离各个金属导带，这些隔离腔其实是一些耦合缝隙;在复合结构的基底上刻蚀微腔结构来减少高介电常数基底带来的损耗，且可使MEMS共面波导的阻抗更低;中心部分还可采用空腔屏蔽，以减少辐射衰减，这些复合结构可实现带阻、带通滤波器功能 。

　　基于共面波导技术的MEMS滤波器不在基底上开孔就可直接和其他射频器件共面集成，传输带宽较高，可达几十甚至上百GHz，且通带损耗极低、带外抑制大、体积小、利于集成、加工容易等优点，在无线通信基站、空间卫星通信等领域应用前景广阔。

　　2 MEMS带阻滤波器的结构

　　设计滤波器结构如图1和图2的对称结构。图1是俯视图，其尺度如图所示，白色是共面波导腔、黑色的是金层。图1中的金属层宽度除了标注的x是变量外，其初始值设为60mm，其他的金属宽度均为金属之间的空白部分除了标注的是50 mm外，其他的都为30mm。

　　结构的截面图如图2，顶层是4mm厚的金，金层下端是30mm厚的二氧化硅，二氧化硅的下层是200mm的硅基底，为了减少高介电常数硅基底带来的损耗，在硅基底中蚀刻了一个空腔，其尺度为1120mm×1100 mm×150mm。该结构采用了叉指结构，利用叉指结构可有效减少同频率下器件的尺度 [5]。在谐振时，该结构可等效为开路或短路电路的一些组合，从而代替了集中参数元件中的电感器和电容器来实现带阻、带通滤波功能。该结构可用全波分析法，也可用SDIE(space domain integral equation)[6] 对其进行分析。

　　3 微机械滤波器的工艺设计

　　基底可选择厚度为200mm的硅片，进行抛光等处理后，在硅片上淀积一层50mm的二氧化硅隔离层;然后在二氧化硅层上利用薄膜技术电镀上一层 4mm厚的金[7]，按照图1所示的图形部分对层和二氧化硅进行腐蚀形成隔离腔，即形成图1的表面图形;最后利用微细工艺在基底(硅片)中心蚀刻出一个1120 mm×1100mm ×150mm的空腔，在腔体内壁蒸镀上一层0.01mm的金层，减少基底损耗且增加了基底的阻抗，其截面如图2。当然，腐蚀的空腔不可能完全垂直，实际蚀刻出来的腔体会有一定的倾斜角。