静电致动串联式射频微滤波器

摘要

本发明涉及一种静电致动串联式射频微滤波器。它由一块硅片基底上沉积多晶硅结构层构成；多晶硅结构层包括由两个分别相互插配的固定梳齿和移动梳齿、两个分别连接两个移动梳齿的支撑梁、和与支撑梁连接的弹性支撑架构成的两个微谐振器，以及两个分别连接两个固定梳齿的固定电极和一个接地电极，所述的多晶硅结构层中，所述的两个微谐振器的两个支撑梁内端，分别连接一个细长框形弹性耦合梁的两条边中点而实现两个微谐振器的串联式连接；所述的两个支撑梁与弹性支撑架的连接是其中部两侧对称连接两个所述的弹性支撑架，而每个弹性支撑架各通过一个基座与基底固定连接。本发明具有高Q值、高频率、高灵敏率、低损耗和数字输出等特点。通过施加驱动电压，驱动微滤波器，实现其执行机构传递信号与滤波的作用。本发明在生物医学、航空航天技术、IT产业、制造业等方面具有较大的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种静电致动射频微滤波器，特别是一种静电致动由耦合梁串联的射频微滤波器。

背景技术

用于信号处理的滤波器早在20世纪40年代就开始使用了，早期基于谐振器的滤波器体积较大，灵敏度、品质因子Q都较低。随着微机电系统技术的成熟，微谐振器应用在滤波器中越来越广泛，在90年代初期就已开始研究基于微谐振器的滤波器。参见图1。美国的L.Lin于1998年设计研究了微谐振器串联、并联而成的滤波器，并加以封装，使微滤波器达到高灵敏度、高Q值，低损耗。但是其面加工工艺不能达到较高的频率，而且封装又会大大增加成本；美国的R.L.Borwick III利用体加工而成的微谐振器作为可变电容，制作成射频微滤波器。其使用的体加工会增加滤波器的体积，使系统尺寸增加。

现有技术的微滤波器有串联、并联结构。较为普遍的是谐振腔式结构，如图1所示。由于结构的制约，使现有的微滤波器成本较高，频率较低，Q值达不到预期值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种静电致动串联式射频微滤波器，具有高频率，高Q值，低损耗，窄带宽等优点。能够保证频率较高、带宽较窄，整体体积相对较小，可与集成电路制作工艺相兼容。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明的任务在于建立一种可与集成电路制作工艺相兼容的、静电微致动机构的多晶硅微机械装置。采用静电致动，一方面可以通过输入电压控制微谐振器的动作，另一方面能够保证稳定的输出位移，便于信号采集。可采用与集成电路兼容的制造工艺，有望将该微滤波器与控制电路部分集成制作在同一芯片，可以实现低成本、大批量生产。本发明的静电致动的射频微滤波器装置中，所有的结构梁可以都是直梁结构，通过弹性耦合梁串联两个微谐振器，结构如图2所示，包括固定梳齿、移动梳齿、支撑梁、弹性支撑架、弹性耦合梁和多晶硅固定电极组成。其中，左边的固定梳齿、移动梳齿、支撑梁、弹性支撑架，组成第一阶微谐振器，右边的固定梳齿、移动梳齿、支撑梁、弹性支撑架，组成第二阶微谐振器。所述的第一、二阶微谐振器和弹性耦合梁连成一体，固定梳齿与电极连成一体。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种静电致动串联式射频微滤波器，由一块硅片基底上沉积多晶硅结构层构成；多晶硅结构层包括由两个分别相互插配的固定梳齿和移动梳齿、两个分别连接两个移动梳齿的支撑梁、和与支撑梁连接的弹性支撑架构成的两个微谐振器，以及两个分别连接两个固定梳齿的固定电极和一个接地电极，其特征在于所述的多晶硅结构层中，所述的两个微谐振器的两个支撑梁内端，分别连接一个细长框形弹性耦合梁的两条边中点而实现两个微谐振器的串联式连接；所述的两个支撑梁与弹性支撑架的连接是其中部两侧对称连接两个所述的弹性支撑架，而每个弹性支撑架各通过一个基座与基底固定连接。

上述的细长框形弹性耦合梁为细长框形、或上下两端以圆弧形连接的细长框形、或细长椭圆框形。

上述的两个支撑梁为“I”字形，其中部细腰部与所述的弹性支撑架(4)连成一体。

上述的弹性支撑架为四条竖直平行的细长梁和一条顶梁构成栅形架，其栅形架的外侧两根梁内端与所述的支撑梁中部连接，而其内侧两根梁内端与所述的基座连接。

上述的硅片基底为单晶硅基底，其上有一层Si₃N₄绝缘层；在固定电极和接地电极处，有一层导电层穿透绝缘层与基底固定连接，此处多晶硅机构层向下凹进与导电层固定连接，而其上有一层金属结构层。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明采用了耦合梁串联两个微谐振器，能达到窄带宽滤波。在结构设计上，为在基底上沉积的多晶硅微机械机构，整体体积较小，可与集成电路制作工艺相兼容。具有位移大、精度高、频率高、Q值高、传递信号过程可控性好、能实现射频滤波。本发明在生物医学、航空航天技术、IT产业、制造业等方面具有较大的应用前景。

附图说明

图1是已有技术的射频微滤波器示意图。

图2是本发明的一个实例的结构示意图。

图3是图1中A-A处的剖面示意图。

图4是图2示例的立体结构示意图。

图5是本发明的工作状态示意图。

图6是本发明的工作状态时的幅频曲线示意图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例是：参见图2，本静电致动串联式射频微滤波器，包括微两个梳齿状微谐振器，微谐振器是在一个长方形硅片基底8上沉积多晶硅结构层12，结构层是由弹性耦合梁6串联两个微谐振器而成的多晶硅微机械结构。由固定梳齿1、移动梳齿2、支撑梁3、弹性支撑架4、基座5、弹性耦合梁6、固定电极7和接地电极9组成，通过在一个固定电极7和接地电极9施加驱动电压构成静电驱动元件。其中，左边的固定梳齿1、移动梳齿2、支撑梁3、弹性支撑架4、基座5组成第一阶微谐振器，右边的固定梳齿1、移动梳齿2、支撑梁3、弹性支撑架4、基座5组成第二阶微谐振器。在所述的基底8是以单晶硅为基底，在单晶硅基底8上有一层Si₃N₄绝缘层10，在电极7、9处，微机械结构层12穿过Si₃N₄绝缘层10与一层导电层11相连。导电层11穿透所述的Si₃N₄绝缘层10与基底8固定连接，在电极上部是金属结构层13，其材料为铝。所述的微滤波器中固定梳齿1、移动梳齿2、支撑梁3、弹性支撑架4、基座5和弹性耦合梁6都是由PolySi多晶硅12组成，在固定梳齿1的另一端是多晶硅固定电极7，经过一层导电层11后穿透所述的绝缘层10与基底8固定连接。本静电致动串联式射频微滤波器的固定梳齿、移动梳齿长度为32μm，宽度为3.2μm；折叠梁长度为100μm，宽度为3μm；耦合梁长度为120μm，宽度为3μm。射频微滤波器通过淀积，刻蚀、溅射，腐蚀等工艺制成。图4示出其立体结构图形。

本发明的基本工作原理参见图5，工作状态时的幅频曲线参见图6。通过在电极上加载直流/交流电压，将电压、电流等信号传输到第一阶微谐振器，由第一阶微谐振器转换成机械振动信号，再通过耦合梁把信号传递到第二阶微谐振器，最后再由第二阶微谐振器把机械振动信号转换成电压、电流信号。每个微谐振器的谐振频率相同。当静电力的频率由小变大逐渐进入这个谐振系统的通带频率时，两个微谐振器首先发生同相振动；在静电力的频率变大的过程中，系统经过一定的紊乱又达到一个新的谐振平衡态，在幅频曲线中的通带上显示出两个波峰，这时，两个微谐振器相位相差180°，同频振动；当频率继续变大，系统中的相邻的微谐振器仍有180°的相位差，同频振动。于是出现了两个波峰的锯齿状通带。两个波峰分别是两阶微谐振器的幅频特性曲线。带宽为两个波峰之间的频率差。在这里谐振频率是由微谐振器本身决定，耦合梁的作用是将微谐振器相同的频率作以一定的分离，从而形成一个通带。也就是说，微谐振器决定滤波器的谐振频率，耦合梁决定带宽。目前是通过芯片上的固定电极由外界的控制电源进行控制，使用方便、灵活。