一种电容式双椭圆盘的微机械带通滤波器的制作方法

本发明涉及一种微机械mems滤波器结构，属于射频通信及微机电系统(mems)技术领域中的元器件技术领域,具体涉及一种由两个完全相同的电容式椭圆盘形谐振器耦合的微机械带通滤波器。

背景技术：

mems即微机电系统(microelectromechanicalsystems)的简称,它结合了机械与电气的双重特性,将微电子技术和精密机械加工技术相互融合,用于开发具有小型化、智能化的产品,是微电子技术应用的又一次革命。用于射频通信领域的rf-mems微机械滤波器,是一种采用mems技术制作,基于机械振动的固有谐振频率进行选频的特种滤波器,将传感器、执行器、电子线路等一些电子元件组合成一个系统,把接收到的输入电信号通过机电耦合转换为机械振动,在机械部分完成滤波功能后,再将机械信号转换回电信号输出给后续模块使用。不但具有体积小,重量轻,性能稳定等优点外,还能与电路元件集成,具有非常好的频率选择特性。因而射频微机电滤波器具有很高科研价值和研究意义。

随着通信行业的迅猛发展,可集成化和小型化成为射频通信系统中的重要发展趋势,传统滤波器虽然性能优异,但体积和重量实在庞大,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。按所采取的换能方式来分,微机械谐振器可以分为:电容式、压电式、热转换式和电磁式四种。其中前两种是最适用于高频。压电式谐振器机电具有较小的运动阻抗,易于射频电路匹配,但压电驱动方式在驱动时需要利用材料的压电特性,频率的稳定性和重复性较低,且对压电材料也有要求,增加了工艺的复杂性。而目前对电容式的滤波器的研究中,多是采用梁结构,因此对于碟型电容式滤波器需要进一步的研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对背景技术所存在的不足,设计了一种电容式双椭圆盘谐振器耦合的微机械带通滤波器,采用电容换能方式,通过机械弹性耦合梁两端连接谐振器构成滤波器,结构简单,降低加工工艺难度,实现中心工作频率，带宽可调节的带通滤波器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

本发明包括机械部分和电气部分。机械部分结构对称,包括两块尺寸完全相同的振动椭圆盘、耦合梁、输入电极、输出电极、两个尺寸完全相同的椭圆盘锚点及绝缘底层；电气部分包括交流电压源、输入端电阻、负载电阻、地。两块振动椭圆盘通过设置在椭圆盘长轴外连接处的耦合梁连接，输入输出电极分别围绕在两块振动椭圆盘周围，构成电容换能式谐振器。

进一步的，振动椭圆盘、锚点、电极和耦合梁由多晶硅制成；锚点下底面连接基片，上底面连接椭圆盘下底面使其悬空在基片上，锚点上引入偏置电压焊点并连接到封装管壳引脚上，并接入一定值的直流偏置电压。

进一步的，椭圆盘、耦合梁厚度一致，即它们的结构位于同一层；输入电极上方引入交流电压焊点连接到封装管壳引脚上，并接入交流电压；输出电极上方引入交流电流焊点连接到封装管壳引脚上，会有相应的电流信号流出，并通过负载电阻转换为输出电压信号。

进一步的，椭圆盘和电极间留有狭小的缝隙，在输入电极上加载交流电压，可以对振动椭圆盘产生一定的水平方向上的静电推挽力，该推挽力会使谐振块处于扩张或收缩状态，使椭圆盘做类似于呼吸状振动。缝隙的宽度要保证椭圆盘扩张位移最大时不能与电极触碰。

进一步的，设计耦合梁的长度满足λ/4的整数倍，使椭圆盘拥有同相和反相两种振动模态,并且能量传输损失最小。

还需要说明的是，谐振器决定了滤波器的中心频率，连接的耦合梁刚度决定了滤波器的带宽。锚点固定的椭圆盘谐振器结构基于谐振原理在某个频率处会发生谐振，而耦合梁的存在扩大了谐振器组的工作频率，使两个椭圆盘谐振器能量耦合,合成具有同相和反相两种振动模式的耦合系统。同向时，系统谐振频率最高，反相时，系统谐振频率最低。当输入信号的频率位于这两个谐振频率值之间时，谐振器均处于谐振状态，输出端谐振器的电容发生较大幅值的改变，在偏置电压的作用下，会有相应的电流信号输出。通过上述电-机械-电信号的转换，实现对输入信号的选频作用。

本发明采用两个完全相同的椭圆盘式谐振器通过耦合梁耦合而构成一种电容式微机械带通滤波器，体积重量小、谐振频率高、响应时间短。滤波器带宽可通过调节耦合梁改变；滤波器工作中心频率可通过调节椭圆盘与电极间的间隙或椭圆盘的尺寸改变。材料采用多晶硅,器件具有优良的机械电气性能。另外mems工艺与ic工艺相似,可实现大规模的批量化生产,降低生产成本。

附图说明

图1是本发明滤波器电路加机械整体示意图（俯视图）；

图2是图1中椭圆盘结构左视图。

图中1.1、1.2:振动椭圆盘,2.1:输入电极,2.2:输出电极,3.1:输入电极-椭圆盘间隙,3.2:输出电极-椭圆盘间隙,4.1:交流电压焊点,4.2:交流电流焊点,5.1、5.2:偏置电压焊点,6.1、6.2:椭圆盘锚点,7:连接耦合梁,8:输入电阻,9:负载电阻,10:交流电压信号,11.1、11.2、11.3:金属连接走线,12.1、12.2:地,13:输出端口,14:基片。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

在图1中，振动椭圆盘1.1和1.2悬空在基片14上，其底面中心处的椭圆盘锚点6.1、6.2支撑使其与基片14隔离。振动椭圆盘1.1周围环绕着输入电极2.1，椭圆盘1.2周围环绕着输出电极2.2。3.1是输入电极和椭圆盘之间的间隔,3.2是输出电极和椭圆盘之间的间隔。耦合梁7连接椭圆盘1.1和1.2。输入电极2.1上方引入交流电压焊点4.1，交流电压信号10一端接地12.1，另一端通过金属导线11.1连接输入电阻8,电阻8另一端通过金属导线11.2连接到交流焊点4.1；输出电极2.2上方引入交流电流焊点4.2，负载电阻9一端接地12.2，另一端通过金属导线11.3连接到输出交流焊点4.2,转换输出电流为输出电压信号到输出端口13。

在图2中，椭圆柱锚6.1和6.2上底面连接椭圆盘1.1和1.2，下底面连接基底14;输入电极2.1和输出电极2.2下底面连接基片14,椭圆盘1.1、1.2的高度与连接耦合梁7的高度相同,椭圆盘1.1和1.2上方设置偏置电压焊点5.1和5.2,并用金线连接到封装管壳引脚上。

本领域的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来验证本发明，而并非作为对本发明的限定，只要是在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变形都将落在本发明的保护范围内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种电容式双椭圆盘的微机械带通滤波器，本发明包括机械部分和电气部分。机械部分结构对称,包括两块尺寸完全相同的振动椭圆盘、耦合梁、输入电极、输出电极、两个尺寸完全相同的椭圆盘锚点及绝缘底层；电气部分包括交流电压源、输入端电阻、负载电阻、地。两块振动椭圆盘通过设置在椭圆盘长轴外连接处的耦合梁连接，输入输出电极分别围绕在两块振动椭圆盘周围，构成电容换能式谐振器。本发明采用两个完全相同的椭圆盘式谐振器通过耦合梁耦合而构成一种电容式微机械带通滤波器，体积重量小、谐振频率高、响应时间短。滤波器带宽可通过调节耦合梁改变；滤波器工作中心频率可通过调节椭圆盘与电极间的间隙或椭圆盘的尺寸改变。

技术研发人员：任灵
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2017.06.14
技术公布日：2017.10.13