频率可调的mems滤波器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及射频微机电（RF MEMS)技术领域，更特别地，本发明涉及射频微机械谐 振器件，特别是一种频率可调的MEMS滤波器。
【背景技术】
[0002] 在现在的无线通信系统应用中，滤波器作为主要的组件之一，起着至关重要的作 用，它在信号的传输过程中，通过自身的频率特性对传输信号进行必要的选择、滤除处理， 以得到所需的频段信号，同时避免其它频段的信号以及外界信号的干扰。目前广泛采用 的滤波器件包括石英晶体、陶瓷滤波器、表面声波（SAW)滤波器以及现在的体声波（FBAR) 滤波器，它们虽然可以达到RF和IF滤波器所需的高Q值（500-10000)，但是它们都是片 外（off-chip)分立元件，不能与1C电路集成，不利于通信系统的小型化和成本的降低，而 MEMS滤波器由于具有小尺寸、低成本、低功耗、高Q值、高线性度、与1C工艺集成等优点，被 认为是取代传统片外分立元件最好的选择之一，这可以大大提高系统的集成度，实现系统 的小型化、便携化和降低系统的成本。
[0003] 为了满足未来无线通信系统对多频带、多功能、多模式的应用需求，需要收发系统 的射频前端具有多种频带灵活选择的功能，以适应不同的应用标准，这就需要具有多种不 同频率特性的滤波器组件。利用MEMS器件的小尺寸以及集成特性，通常将多个不同频率特 性的滤波器集成在单一芯片上，并利用开关实现单一滤波器之间的切换以满足不同的通信 标准，但是这种方法需要将大量的高选择性的滤波器并行连接，不仅会增大器件的寄生效 应，降低器件性能，而且不利于系统的进一步小型化和成本的降低。另外，通过将将多个不 同频率的滤波器并联构成多阶滤波器，利用滤波器单元自身的自开关特性，实现滤波器单 元之间的不同并联组合，从而实现不同的频带输出，但是这种方法也需要多个滤波器的并 联组合。为了实现灵活的多频带选择功能，减少多频带系统的复杂性，本发明提出了一种新 型的频率可调的MEMS滤波器，可以实现不同的中心频率和带宽，可以降低通信系统的复杂 性，提高系统的集成度，从而进一步降低系统成本。
[0004] 本发明提出的MEMS滤波器是利用多个MEMS谐振器来实现的，利用MEMS谐振器的 高频、高Q特性，实现滤波器的高选择性和低功耗，通过将多个MEMS谐振器进行机械耦合， 并对每个耦合谐振器施加不同的偏置信号，激励滤波器的不同振动模态，获得滤波器不同 的中心频率和带宽。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的主要目的是提出一种频率可调的MEMS滤波器，该结构能够适 用于具有多种频带选择功能的收发系统射频前端，满足未来无线通信系统对多频带、多功 能、多模式的应用需求。
[0006] 为达到上述目的，本发明提出了一种频率可调的MEMS滤波器，包括：
[0007] 多个谐振单元，该多个谐振单元通过振动位移节点处的支撑梁或者锚点支撑；多 个耦合梁，该每一耦合梁的两端连接至相邻的谐振单元；
[0008] 多个电极，该多个电极位于谐振单元的周围，与谐振单元之间有一间隙。
[0009] 从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是：
[0010] 1、本发明提出的一种实现多频带输出的方法，通过对谐振单元周围的电极施加不 同的偏置信号，使谐振单元1组产生不同的相位组合，激励滤波器的不同振动模态，从而使 滤波器实现不同的中心频率和带宽。
[0011] 2、本发明提出的一种频率可调的MEMS滤波器，用单个器件实现了不同的中心频 率和带宽，不仅满足未来无线通信系统的多频带应用需求，大幅降低通信系统的复杂性、体 积和成本，而且易于大规模制造以及与1C电路集成，可大大提升系统的集成度和性能。
【附图说明】
[0012] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例及附图，对本 发明进一步详细说明，其中：
[0013] 图1 (a)为本发明提供的频率可调的MEMS滤波器；
[0014] 图1 (b)为本发明提供的频率可调的MEMS滤波器的四阶振动模态均受激励时的频 谱输出示意图；
[0015] 图2 (a)为本发明提供的频率可调的MEMS滤波器的一阶振动模态示意图；
[0016] 图2(b)为仅有图2(a)所示振动模态受激励时的频谱输出示意图；
[0017] 图3 (a)为本发明提供的频率可调的MEMS滤波器的二阶振动模态示意图；
[0018] 图3(b)为仅有图3(a)所示振动模态受激励时的频谱输出示意图；
[0019] 图4(a)为本发明提供的频率可调的MEMS滤波器的三阶振动模态示意图；
[0020] 图4(b)为仅有图4(a)所示振动模态受激励时的频谱输出示意图；
[0021] 图5(a)为本发明提供的频率可调的MEMS滤波器的四阶振动模态示意图；
[0022] 图5(b)为仅有图5(a)所示振动模态受激励时的频谱输出示意图；
[0023] 图6为MEMS滤波器的三阶和四阶振动模态均被激励时的频谱输出示意图；
[0024] 图7为MEMS滤波器的二阶、三阶、四阶振动模态均被激励时的频谱输出示意图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明提供一种频率可调的MEMS滤波器，如图1 (a)所示，具体包括：
[0026] 多个谐振单元1，该谐振单元1的材料为硅基材料、压电材料或蓝宝石，各谐振单 元1材料和几何尺寸相同，该多个谐振单元1通过振动位移节点处的支撑梁或者锚点5支 撑；多个耦合梁4,该每一耦合梁4的两端连接至相邻的谐振单元1，耦合梁4与谐振单元1 的材料可以相同或者不同，通过耦合梁4对谐振单元1的耦合作用，使谐振单元1组产生多 阶振动模态，其中各谐振单元1工作于同一模态，相邻谐振单元1的振动相位可以同相或者 反相，每种振动相位组合对应滤波器的一阶振动模态，振动模态的个数与谐振单元1的个 数相等，多个振动模态共同构成了滤波器的通频带，滤波器的中心频率位于最高频率振动 模态与最低频率振动模态之间；
[0027] 多个电极2,该多个电极2位于谐振单元1的周围，与谐振单元1之间有一间隙3， 其中电极2和谐振单元1之间的间隙3为空气填充或者固态介质填充，所述电极2材料为 金属或掺杂半导体材料。本发明通过对各谐振单元1周围的电极2施加不同的偏置信号， 使谐振单元1组产生不同的相位组合，以激励滤波器的不同振动模态，从而实现不同的中 心频率和带宽。
[0028] 下面以圆盘形MEMS谐振器通过机械耦合形成的MEMS滤波器为例详细介绍结构特 征，如图2(a)、图3(a)、图4(a)、图5(a)所示，分别为图1(a)所示滤波器结构工作在一阶、 二阶、三阶、四阶振动模态时的振动模态示意图，其中虚线为滤波器静态时各谐振单元1的 初始状态，实线为谐振时各谐振单元1的振动状态，具体包括：
[0029] 四个圆盘形谐振单元1，其半径均为18um，谐振单元1工作在一阶径向伸缩的振动 模态，该谐振单元1的材料为多晶硅，该谐振单元1由位于圆盘中心的位移节点处的锚点5 支撑，相邻谐振单元之间通过一耦合梁4相连，其与谐振单元1为同一层材料制作形成，各 谐振单元1周围包含多个电极2,位于各谐振单元的周围，每一谐振单元1周围的电极2互 相独立，电极2与谐振单元1之间有一空气间隙3,各谐振单元1采用静电激励方式，对输入 端谐振单元1周围的电极2同时施加直流偏置和交流信号，输入端谐振单元1产生面内径 向振动，通过耦合梁4的机械耦合作用，在输出端谐振单元1的电极2检测到信号输出。
[0030] 所述结构具有共四阶振动模态，不同振动模态下，相邻谐振单元1的振动相位为 同相或者反相，每种振动相位组合对应滤波器的一阶振动模态，该四阶振动模态对应于滤 波器通带内的四个不同的谐振峰fi、f 2、f3、f4，该谐振峰构成了滤波器的通频带，如图1 (b) 所示，其中：
【主权项】
1. 一种频率可调的MEMS滤波器，包括： 多个谐振单元，该多个谐振单元通过振动位移节点处的支撑梁或者销点支撑；多个禪 合梁，该每一禪合梁的两端连接至相邻的谐振单元； 多个电极，该多个电极位于谐振单元的周围，与谐振单元之间有一间隙。
2. 根据权利要求1所述的频率可调的MEMS滤波器，其中谐振单元的材料为娃基材料、 压电材料或蓝宝石，各谐振单元的材料和几何尺寸相同。
3. 根据权利要求1所述的频率可调的MEMS滤波器，其中该禪合梁与谐振单元的材料为 相同或者不同，通过禪合梁对谐振单元的禪合作用，使谐振单元组产生多阶振动模态。
4. 根据权利要求1所述的频率可调的MEMS滤波器，其中各谐振单元工作于同一模态， 相邻谐振单元的振动相位为同相或者反相，每种相位组合对应滤波器的一阶振动模态，振 动模态的阶数与谐振单元的个数相等，多阶振动模态构成了滤波器的通频带，滤波器的中 也频率位于最高频率振动模态与最低频率振动模态之间。
5. 根据权利要求1所述的频率可调的MEMS滤波器，其中该多个电极的材料为金属或惨 杂半导体材料，通过对各谐振单元周围的电极施加不同的偏置信号，使谐振单元组产生不 同的相位组合，W激励滤波器的不同振动模态，从而实现不同的中也频率和带宽。
6. 根据权利要求1所述的频率可调的MEMS滤波器，其中各电极和谐振单元之间的间隙 为空气填充或者固态介质填充。
【专利摘要】一种频率可调的MEMS滤波器，包括：多个谐振单元，该多个谐振单元通过振动位移节点处的支撑梁或者锚点支撑；多个耦合梁，该每一耦合梁的两端连接至相邻的谐振单元；多个电极，该多个电极位于谐振单元的周围，与谐振单元之间有一间隙。本发明能够适用于具有多种频带选择功能的收发系统射频前端，满足未来无线通信系统对多频带、多功能、多模式的应用需求。
【IPC分类】H01P1-20, B81B7-00
【公开号】CN104617360
【申请号】CN201310541341
【发明人】骆伟, 袁泉, 赵晖, 杨晋玲, 杨富华
【申请人】中国科学院半导体研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2013年11月5日