微机械太赫兹波导、太赫兹波导式谐振腔及制备方法

摘要

本发明公开了一种微机械太赫兹波导、太赫兹波导式谐振腔及制备方法，属于波谱技术领域。该微机械太赫兹波导为内嵌于封装基板中的管道结构，封装基板由上、下表面板和若干个中间基板堆叠而成，所述波导设置在中间基板内，其轴线平行于基板表面；该波导延伸到中间基板的侧向外表面，或该波导延伸至上、下表面板的外表面，用于实现信号输入、输出；在所述波导内壁上涂敷有金属。利用上述THz波导设计原理，还可以制备太赫兹波导式谐振腔，且制备方法基于RF MEMS的微机械技术，可进行大规模并行化、低成本的加工。

说明书

技术领域

本发明是关于毫米波、亚毫米波和太赫兹(THz)波谱技术领域所用的金属波导的加工工艺，具体涉及一种微机械太赫兹(THz)波导、太赫兹波导式谐振腔及制备方法。

背景技术

目前微波电子器件的工作频率正在向亚毫米波(W波段)、太赫兹频段(THz，频率范围约300-3000GHz，波长0.1～1mm)扩展。其中THz频段上的电磁波有时也称为T射线。与目前利用得较多的S到Ka波段相比，这些高频端的电磁波具有如下的特点：1)波长短，分辨率高，可以获得对象清晰、丰富的细节信息，并可直接成像；2)可用频带宽，在高速数据通讯方面可以和光波进行竞争，而且保密性很好；3)该频段电磁波的频率和光子能量等与多种分子的旋转能级等物理/化学特征相对应，故可以用来提供多种分子和等离子体的成分及微观结构信息。近年来在物理等基础研究领域对THz电磁波进行的探索性研究表明：THz技术是揭示多种天文现象、核聚变等离子体现象、分子微观结构以及物质质谱分析、地球勘探、生物医学成像、气象学、环境保护研究等方面的重要工具，另外，该技术在工程应用上具有如下广阔的潜在应用前景：1)可精确识别目标特征和对其成像的新型武器装备的感测模块，以及大容量移动通信模块；2)战场上以及人群高度密集的机场、车站、球场和公共建筑等区域对化学和生物制品进行快速有效的预警和遥感探测的技术；3)医疗成像(利用其辐射损伤小，而空间分辨率高)；4)粮食和菌种选种。由于半导体等技术的限制，与微波频段和光频段相比，人们过去对太赫兹频段的研究相对较少，而且主要集中在如何利用这一频段进行光谱分析、地球遥感和天体物质构成分析等基础性研究上，器件和电路技术及其应用方面的研究几乎为空白。从目前的调研来看，相应的器件或电路的研制尚处于起步阶段，相应的仪器极为稀缺，价格昂贵，而且一般必须在受控环境(如有精确调温的实验室)中使用。

传统的金属波导一般是由左右或上下对称的分体结构组装而成的管道结构(在波长较长的微波或毫米波波段工作的波导)，或者在整块金属上通过钻孔等方法形成的管道结构(在波长较短的亚毫米波及以上波段)；其基体材料是刚度较高但电导率较低的铝或者钢，在波导壁面上则通过电镀等方法涂覆一层高电导率的Au或者Ag，以降低信号损耗和泄漏，同时降低波导的成本；基体材料也可以是具备高电导率和较高刚度的Cu材料，此时其内壁无需涂覆高电导率的金属，但鉴于材料成本很高，所以波导的横向尺寸不能很大，一般不超过10cm；其轴线形状可以根据信号互连需求来确定，考虑到加工难度，一般为圆形、半圆形；金属波导的截面为矩形或者圆形、椭圆性及其改型，其中绝大多数为矩形截面。

在W到THz频段，电磁波的波长缩小到0.1毫米、微米量级，甚至接近光波波长，此时Ka以下频段常用的微带线和共面波导等平面传输线结构必然出现损耗和色散大的问题，将逐渐为填充空气或其他电介质的各种截面的金属波导所取代。传统的金属波导设计已经很难满足要求。其原因主要在于：

1)THz频段的有源器件通常为利用IC(集成电路)工艺制作的平面化器件；传统金属波导设计是采用精密机械切削方法加工而成的三维结构，与有源器件接口时，需要利用高精度的夹具将有源器件放置于截面尺寸在不超过5mm的波导内部特定部位，然而再焊接相应引线，故存在组装对准困难等问题，这影响了其接口的损耗特性，而且每次连接过程耗时长，从目前的研究报道来看，这种组装很难保证随后电路的工作特性和成品率，使得加工成本大大提升；

2)在THz频段，传输的电磁波波长大大缩短，相应的传输波导的尺寸必然大大缩小，其加工精度要求很高，难度相应上升，在金属材料上利用线切割等精密机械加工方法加工出对称分体结构然后再组装的方法很难满足尺寸精度要求，而且相应的加工和组装工艺在刀具和夹具等方面要求很高，提高了波导的整体成本。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种内嵌于微系统或微电子封装基板中的微机械太赫兹(THz)波导、太赫兹波导式谐振腔及制备方法。

本发明的技术方案是：

一种微机械太赫兹波导，该微机械太赫兹波导为内嵌于封装基板中的管道结构，封装基板由上、下表面板和若干个中间基板堆叠而成，所述波导设置在中间基板内，其轴线平行于基板表面；该波导延伸到中间基板的侧向外表面，或该波导延伸至上、下表面板的外表面，用于实现信号输入、输出；在所述波导内壁上涂敷有金属。

所述封装基板为低温共烧陶瓷(英文缩写LTCC)基板。

所述波导位于中间基板中，为凹槽状，或贯穿中间基板；待上、下表面板与中间基板的堆叠完成后，最终形成管道结构。

所述波导延伸至上、下表面板的外表面时，该波导位于上下表面板内的部分为通孔状，其轴线与位于中间基板内的波导部分的轴线垂直相交，其截面尺寸与位于中间基板内的波导部分截面尺寸相同。

所述波导分别设置在多个不同的中间基板上，通过耦合孔或垂直通孔相互连接。

一种太赫兹波导式谐振腔，该谐振腔内嵌于封装基板中，封装基板由上、下表面板和多个中间基板堆叠而成，所述谐振腔为长方体或正方体空腔，由多个贯穿于中间基板的波导组合而成；且其中一波导延伸到中间基板的侧向外表面，或其中一波导延伸至上、下表面板的外表面，用于实现信号输入、输出；在所述波导内壁上涂敷有金属。

所述封装基板为低温共烧陶瓷(英文缩写LTCC)基板。

一种微机械太赫兹波导的制备方法，其步骤包括，

1)采用多层LTCC封装基板，在封装基板的中间基板或上、下表面板的生瓷板上加工出波导结构，该波导为管道结构，所述波导设置在中间基板内，其轴线平行于基板表面；所述波导延伸到中间基板的侧向外表面，或所述波导延伸至上、下表面板的外表面，用于实现信号输入输出；

2)在所述波导内壁表面上印制含有金属颗粒的有机浆料；

3)在上述波导中填充牺牲材料；

4)将上述封装基板的上、下表面板和中间基板的生瓷板对准、叠压组装；

5)进行烧结，将上述生瓷板内的牺牲材料升华、排尽，并且使有机浆料中的金属颗粒牢固地附着到波导内壁表面上，最终完成嵌在LTCC封装基板内的微机械太赫兹波导。

所述烧结温度为750-950℃。

所述金属颗粒为Au、Ag或Cu颗粒。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)波导尺寸与亚毫米波至太赫兹频段的信号自由空间和导波波长接近，与平面传输线结构相比，在电磁传输特性上具有损耗低、色散小、可承受较大功率等特点；

2)波导结构轴线平行于基板表面，形状灵活多样，有利于设计蛇形折叠波导等平面形状复杂的波导结构；

3)波导结构可以分别制作在多层基板中，便于形成端口在不同基板层上的、多输入/输出的立体波导互连网络；而且，相邻层的波导间可以方便地形成耦合，组合起来后构成基于耦合孔的、由上、下主副波导构成的定向耦合器、魔T等太赫兹三维电路元件；

4)多层波导结构对准后还可以形成较大尺寸的谐振腔，有利于加工亚毫米波和太赫兹频段上的谐振、滤波、混频等元件结构；

5)加工方法来源于RF MEMS的微机械加工技术，并可以利用现有的LTCC多层系统级多层封装基板加工方法，从而实现大规模并行化加工，提供种类丰富的有源、无源电路结构，而且其成本大大低于硅基的DRIE/键合工艺和LIGA工艺。

附图说明

图1a本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的微机械太赫兹波导的基本结构分解图；

图1b是图1a的剖视图；

图2a本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的微机械太赫兹波导传输波长较长的太赫兹电磁波时，基板的剖视图；

图2b本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的微机械太赫兹波导传输波长较短的太赫兹电磁波时，基板的剖视图；

图3a本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的微机械太赫兹波导分布在不相邻的两层基板中时的结构分解图；

图3b是图3a的剖视图；

图4a本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的微机械太赫兹波导分布在相邻两层时的结构分解图；

图4b是图4a的剖视图；

图5a本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的太赫兹波导式的谐振腔的结构示意图；

图5b是图5a的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1示出了本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的微机械太赫兹波导的基本结构。图中，LTCC封装基板是由3层基板1a、1b、1c组成，上述平板状的基板相互平行叠加在一起，其中上表面板1a和下表面板1c上用体型微机械加工工艺加工有轴线垂直于上表面板1a和下表面板1c的波导2a和2b，用于信号的输入/输出；中间基板1b上制作有轴线平行于基板方向的矩形截面波导3，所有的波导内壁面上涂覆有Au、Ag或Cu等高电导率金属，用于引导THz电磁波延管道轴线传播，并保证很低的波导导体(电阻)损耗。上述波导2a、2b和波导3的轴线相交。波导的基体即为LTCC材料，可与LTCC基板融为一体。

参考图2，本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的微机械太赫兹波导在传输波长较长的THz电磁波时，考虑到截止波长方面的要求，波导3在z方向(垂直方向，即基板厚度方向上)上一般可以贯穿中间基板，其波导的厚度可以是单层基板的整数倍，具体取值可以根据所传输的电磁波及其特性(如截止波长)来选取，如图2a所示。在传输波长较短的THz电磁波时，其在z方向上的波导3的截面尺寸往往应小于单层基板的厚度，因此波导在z方向上也可不贯穿单层基板，如图2b所示。

本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的微机械太赫兹波导可以是任意的立体结构，如图3所示。其中的封装基板由4a～4e等5层基板构成，LTCC基板的上表面板4a上设置垂直并贯穿于封装基板4a的波导6a，作为E面T接头的上部信号输入/出，且在中间基板4b、4d上分别设置波导6b、6c延伸侧向外表面，可用作环形延迟线的一个信号出、入口。在单层基板中，波导在水平面(xoy)上的轴线可以具有任意的形状，如矩形、圆形等，也可以采用图中的蛇形折叠波导等。在上表面板上的信号输入、输出端口的周围可以丝网印刷的方法制作有源器件的引脚焊接焊盘7，从而可以方便有源器件与波导的接口。垂直通孔8是连接分布在不相邻的两层基板中的波导。

本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的微机械太赫兹波导可以根据电路系统的需要，让分布在各层中的波导之间形成垂直互连，以便实现在z方向上的电磁波传输。其设计是：1)不相邻的各层波导之间，可以通过在上下开口位于这些波导的壁面上的、轴线延z方向的通孔连通，如图3中通孔8；2)相邻的两层波导之间可以通过在相互交叠部位的壁面上所形成的耦合孔来连通，如图4a中所示的由9a～d等单层LTCC基板构成的多层基板，在上、下表面板9a和9d上设置波导8a和8b作为信号输入/输出，其中内嵌基板9b和9c的波导10a和波导10b相叠形成耦合、用阴影标志的区域11即为耦合孔11。

本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的微机械太赫兹波导，其相邻两层或多波导结构通过耦合孔或垂直通孔形成互连后，还可以形成定向耦合器结构和滤波器、阻抗匹配器等具有特定电路功能的结构。参考图3，其中垂直于基板的矩形波导6a与上层的中间基板内的波导6b构成了一个T形接头，两个波导构成了一个基于延迟线原理的移相结构。

参考图5，本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的太赫兹波导式谐振腔，其分布在多层基板12a-e内部相邻的多层基板12b-d上的波导结构15a-c对准后形成较大尺寸的谐振腔室，这种谐振腔在z方向上贯穿若干层基板，在其他方向上的尺寸最大可以为z向尺寸的3～5倍。谐振腔的输入信号则经过波导14输入谐振腔室中，谐振腔室的输出信号也通过波导14输出。输入、输出信号的电磁波传播方向相反，可以共存于同一波导14中。在使用中，一般可以在波导14延伸至基板外表面上的开口处连接微波电路中通用的定向耦合器等微波器件，来将谐振腔的输入、输出信号分离开。

本发明内嵌于低温共烧陶瓷基板中的微机械太赫兹波导可以采用如下方法加工：1)通过湿法腐蚀/干法刻蚀/气相喷气腐蚀//精密机械切削等微机械加工工艺，在单层基板生瓷片(即未烧结的基板)中加工出波导结构；2)在波导内壁表面上通过丝网印刷等方法印制含有高电导率金属(如Au、Ag和Cu)的有机溶液-浆料；3)在波导中填充牺牲层材料，如石蜡，以防止叠压过程中悬空基板部分的塌陷；4)将加工有波导结构并在壁面上涂覆有高电导率金属浆料的的各层生瓷基板对准叠压组装起来；5)在LTCC的常规烧结温度下烧结，烧结温度为750-950℃，使得牺牲层材料升华、排尽，而浆料中的高电导率金属在浆料的溶剂成分排出后牢固地附着到到波导壁上，从而最终完成内嵌式微机械太赫兹波导，同时整个LTCC多层基板成型。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的内嵌于封装基板中的微机械太赫兹波导、太赫兹波导式谐振腔及制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。