一种基于4G通信的射频滤波器的制作方法

本实用新型涉及一种无线通信射频前端器件技术领域，特别是一种基于4G通信的射频滤波器。

背景技术：

目前各国大型的运营商均必须支持至少三至四个通讯标准，如2G、WCDMA、LTE等。移动数据业务指数级的增长要求下一代的无线通讯平台能随着通道环境的变化，选择不同频段进行信号的收发，以达到最佳的通信品质和吞吐量。为兼顾轻薄短小的外观与LTE多频多模的设计要求，移动设备品牌商对射频前端模组设计已日益重视。现在业界改变频段的方法主要是电容的堆叠，和利用有源开关器件，与之伴随的问题也比较突出，例如面积大，功耗高，性能差，噪声重等问题比较严重。

业界普遍认为未来几年无线通信技术的发展是围绕LTE-A和4.5G技术的，而最早在2020年，将迎来5G技术的时代，移动通信频带将达到惊人的6GHz～60GHz，在如此高频，如此宽带的频带上，现有的技术中最有可能被采用的滤波器件就是BAW器件，现有实验室中制造的FBAR(一种BAW filter)滤波器已经可以在20GHz以上的频带实现高性能的滤波。需要运行于多个不同频段和地区，支持高速LTE语音和数据传输的手机目前正加速采用FBAR技术解决困难的滤波问题，带有4G/LTE功能的手机通常会在紧邻现有无线电服务的新分配频谱运作，因此经常面临服务间可能的干扰。基于FBAR技术滤波器的陡峭滤波曲线和优秀的带外抑制能力除了可以帮助现代智能手机在拥挤的频谱运作，还能避免可能影响甚至中断数据传输的干扰。另外，FBAR滤波器的低损耗特性可以补偿于无线射频前端集成多个频段的较高损耗，改善信号接收能力和电池寿命。

BAW filter的最基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜(Quartz substrate在2GHz下厚度为2um)，声波在压电薄膜里震荡形成驻波(standing wave)。

为了把声波留在压电薄膜里震荡，震荡结构和外部环境之间必须有足够的隔离才能得到最小loss和最大Q值。声波在固体里传播速度为～5000m/s，也就是说固体的声波阻抗大约为空气的105倍，所以99.995％的声波能量会在固体和空气边界处反射回来，跟原来的波(incidentwave)一起形成驻波。而震荡结构的另一面，压电材料的声波阻抗和其他衬底(比如Si)的差别不大，所以不能把压电层直接deposit(沉积)在Si衬底上。

目前，FBAR filter通常使用两个垂直排列的电极板实现，中间利用压电薄膜材料，利用牺牲层形成底层的空腔。工作原理主要是利用压电材料的压电特性与“逆压电特性”,当电压施加在电极上时，由于压电效应使得压电材料产生的机械形变在薄膜内激励出的体声波在两电极间来回反射，形成机械谐振，其谐振基频波长为压电薄膜厚度的2倍。

目前流行的主流FBAR的结构主要有三种结构，反面刻蚀、空气空腔型和固态装配型。反面刻蚀型由于机械老化牢固性低，不太可能实现商业化，固态装配型机械牢固度强，可集成性好，但是对齐比较困难，造成损耗比较大，Q值比较低，另外工艺上也比较复杂，没有得到广泛的使用。而空气型结构可以采用特殊半导体加工工艺或者牺牲层技术来实现，这种结构不仅可获得较高的Q值，而且有比较好的机械牢固度，但是空气腔的制备工艺对于提高Q值和最终的性能都非常关键，空气腔的横向尺寸、形状和立体结构的获得都是工艺上的难点，要考虑支撑层的材料，牺牲层的去除，对谐振结构的影响，腔体实现的应力变化等方面。空气腔的实现需要比较复杂的制备过程，由于通孔的设计和刻蚀的手段的局限，体腔质量无法保证。

目前，空气腔的制备过程中，需要在硅片上进行多步刻蚀形成凹槽，利用牺牲层填充凹槽，在凹槽的上表面覆盖电极及压电层，最后是释放牺牲层的工艺。然而，牺牲层的刻蚀程度会造成空腔的粘连现象，应力集中也会造成薄膜层的剥离和性能的降低，进而影响了产品的成品率，提高了整体的成本。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中存在的问题，本实用新型提出了一种基于4G通信的射频滤波器，通过在空腔内设置受热变形的驱动器，驱动活动臂发生倾斜角度变化以使活动声波腔的腔体空间发生变化，进而改变谐振频率，能够有效解决用牺牲层形成空腔产生的释放困难、应力集中等问题，提供了产品的成品率。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于4G通信的射频滤波器，该射频滤波器包括：硅衬底；设置于硅衬底上的空腔，固定于硅衬底上的空腔中的活动臂，设置在硅衬底与活动臂之间的用于驱动活动臂发生倾斜角度变化的驱动器，活动臂包括固定于驱动器上的垂直固定部，以及与垂直固定部连接且用于与硅衬底共同形成活动声波腔的至少一个水平活动部，水平活动部的另一端悬空于硅衬底的顶部上方，驱动器驱动活动臂发生倾斜角度变化使活动声波腔的腔体发生变化进而调节谐振频率。

进一步的，活动臂设置于空腔的中间部位，活动臂的高度高于空腔的高度，活动臂的长度大于空腔的长度。

进一步的，垂直固定部与水平活动部一体成型。

进一步的，水平活动部的数量为两个，且相对于垂直固定部对称设置。

进一步的，水平活动部的长度大于空腔的长度的二分之一。

进一步的，活动臂为多层结构，多层结构从上到下依次包括：顶电极、压电材料层与底电极。

进一步的，驱动器为固定于硅衬上的电热层，电热层连接底电极，通过加热底电极改变电极应力以驱动活动臂发生倾斜角度变化。

进一步的，电热层为多晶硅层。

进一步的，多晶硅层靠近硅衬底的一侧设置二氧化硅保护层。

进一步的，顶电极和/或底电极的材料为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一或者组合。

相比于现有技术，本实用新型具有如下技术效果：

本实用新型提供了一种基于4G通信的射频滤波器，该射频滤波器包括：硅衬底；设置于硅衬底上的空腔，固定于硅衬底上的空腔中的活动臂，设置在硅衬底与活动臂之间的用于驱动活动臂发生倾斜角度变化的驱动器，活动臂包括固定于驱动器上的垂直固定部，以及与垂直固定部连接且用于与硅衬底共同形成活动声波腔的至少一个水平活动部，水平活动部的另一端悬空于硅衬底的顶部上方，驱动器驱动活动臂发生倾斜角度变化使活动声波腔的腔体发生变化进而调节谐振频率。上述射频滤波器通过在空腔内设置受热变形的驱动器，驱动活动臂发生倾斜角度变化以使活动声波腔的腔体空间发生变化，进而改变谐振频率，能够有效解决用牺牲层形成空腔产生的释放困难、应力集中等问题，提供了产品的成品率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种基于4G通信的射频滤波器的结构示意图；

图2是图1中活动臂的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的又一种基于4G通信的射频滤波器的结构示意图；

图4是图3中活动臂的结构示意图；

其中：1、硅衬底；11、空腔；2、活动臂；21、垂直固定部；22、水平活动部；24、顶电极；25、压电材料层；26、底电极；3、驱动器；4、二氧化硅保护层。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1-2所示，本实用新型的一种基于4G通信的射频滤波器，该射频滤波器包括：硅衬底1；设置于硅衬底上的空腔11，固定于硅衬底1上的空腔11中的活动臂2，设置在硅衬底1与活动臂2之间的用于驱动活动臂2发生倾斜角度变化的驱动器3，活动臂2包括固定于驱动器3上的垂直固定部21，以及与垂直固定部21连接且用于与硅衬底1共同形成活动声波腔的至少一个水平活动部22，水平活动部22的另一端悬空于硅衬底1的顶部上方，驱动器3驱动活动臂2发生倾斜角度变化使活动声波腔的腔体发生变化进而调节谐振频率。

其中，活动臂2包括固定于驱动器3上的垂直固定部21，以及与垂直固定部21连接且用于与硅衬底1共同形成活动声波腔的至少一个水平活动部22。活动臂2固定于硅衬底1上，且位于硅衬底1上的空腔11中。

优选的，活动臂2设置于空腔11的中间部位，活动臂2的高度高于空腔22的高度，活动臂2的长度大于空腔11的长度。其中，活动臂的高度是指从活动臂的最高端到最低端的垂直距离，活动臂的长度是指从活动臂的最左端到最右端的水平距离。

优选的，垂直固定部21与水平活动部22一体成型。

优选的，水平活动部22的数量为两个，且相对于垂直固定部21对称设置。

优选的，水平活动部22的长度大于空腔的长度的二分之一，使得形成两个对称的活动声波腔。水平活动部22的长度是指活动臂2的中心位置到活动臂2的最左端或最右端的水平距离。

优选的，如图2所示，活动臂2为多层结构，多层结构从上到下依次包括：顶电极23、压电材料层24与底电极25。具体的，顶电极23呈T形结构，其下端嵌入压电材料层24中；压电材料层24呈U形结构，其设置于顶电极23的下方且与顶电极23的底面相接触；底电极25呈L形结构，对称设置于压电材料层24的两侧。

具体的，顶电极23和/或底电极25的材料为钨、钼、铂白金、钌、铱、钛钨、铝之一或者组合。压电材料层24的材质为二氧化硅。

驱动器3驱动器为沉积固定于硅衬上1的用于加热的电热层，该电热层连接底电极，通过直接或间接加热底电极改变电极应力，从而驱动活动臂2发生倾斜角度变化。

优选的，电热层为多晶硅层。

如图3-4所示，在上述实施例的基础上，本本实用新型提供的又一种基于4G通信的射频滤波器中，驱动器3的下方还设置有二氧化硅保护层4。

其中，二氧化硅保护层4设置于硅衬底1的空腔中，进一步的，设置于硅衬底1与驱动器3之间，对驱动器3起到保护作用。

上述射频滤波器通过多层水平杆式的活动臂设计，使系统具备极强的抗疲劳特点。由于其利用多层杆热变形的特点，驱动机构在较低的驱动电压下具有很高的输出动力(O(1mN))这一点较传统的相同大小的静电传动系统具有很大的优势，通常静电传动系统在驱动电压100V只有O(1μN)驱动力。由于体腔的变化是通过热激活来改变的，因而本实用新型还可以形成不同特性的器件，包括射频器件，天线调谐器，变频滤波器，谐振器，功放等，通过不同倾斜角的控制，获得灵活的谐振频率的调整。另外对声波的损耗可以降低到最小。

综上，本实用新型提供的基于4G通信的射频滤波器，该射频滤波器包括：硅衬底；设置于硅衬底上的空腔，固定于硅衬底上的空腔中的活动臂，设置在硅衬底与活动臂之间的用于驱动活动臂发生倾斜角度变化的驱动器，活动臂包括固定于驱动器上的垂直固定部，以及与垂直固定部连接且用于与硅衬底共同形成活动声波腔的至少一个水平活动部，水平活动部的另一端悬空于硅衬底的顶部上方，驱动器驱动活动臂发生倾斜角度变化使活动声波腔的腔体发生变化进而调节谐振频率。上述射频滤波器通过在空腔内设置受热变形的驱动器，驱动活动臂发生倾斜角度变化以使活动声波腔的腔体空间发生变化，进而改变谐振频率，能够有效解决长期困扰着MEMS FBAR领域的衬底损耗问题和空腔设计的实现工艺问题，其设计解决了利用与CMOS兼容的工艺，可以在现有的晶圆生成条件下进行批量生产。由于其简单的多层水平杆设计，系统具备极强的抗疲劳特点。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。