摘要：基于MEMS技術(shù)的濾波器是現(xiàn)行RF結(jié)構(gòu)中一個(gè)關(guān)鍵的MEMS器件。與傳統(tǒng)的采用金屬矩形或圓柱波導(dǎo)以及半導(dǎo)體元件制作的濾波器相比，MEMS濾波器具有低損耗、高隔離度、線(xiàn)性好、體積小、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)利用MEMS技術(shù)制作的濾波器做了分類(lèi)總結(jié)，綜述了近幾年MEMS濾波器的研究進(jìn)展，包括硅體微加工濾波器、LIGA傳輸線(xiàn)型濾波器和基于MEMS開(kāi)關(guān)/電 容實(shí)現(xiàn)的可調(diào)濾波器。指出可調(diào)濾波器的開(kāi)發(fā)適應(yīng)微波、毫米波波段的多頻段、寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的迫切需要，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　0  引言

　　濾波器作為一種選頻元件，用來(lái)抑制噪聲、選擇或限定RF/微波信號(hào)的頻段范圍，在許多RF/微波應(yīng)用中起著重要的作用。傳統(tǒng)的濾波器體積大、制造成 本高并且不容易與單片集成電路集成，在毫米波頻段內(nèi)損耗大，而由微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)等領(lǐng)域交叉融合而產(chǎn)生的MEMS 技術(shù)，具有小型化、多樣化以及可集成化的特點(diǎn)。

　　MEMS 技術(shù)與RF技術(shù)的結(jié)合，即RF MEMS 技術(shù)，為新一代獨(dú)特的、高性能濾波器的實(shí)現(xiàn)提供了新的機(jī)遇。目前人們將MEMS技術(shù)運(yùn)用到RF/微波濾波器的設(shè)計(jì)制造中，得到了高性能、小尺寸、重量輕，并且成本低的MEMS濾波器。MEMS RF/微波濾波器可以用集總元件設(shè)計(jì)也可以用分布元件設(shè)計(jì)，它們可以利用各種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，例如微帶線(xiàn)、波導(dǎo)腔、共面波導(dǎo)等。當(dāng)然，它們也可以由多種制造工藝實(shí)現(xiàn)。

　　1  硅體微加工MEMS濾波器

　　硅體微加工技術(shù)是通過(guò)對(duì)襯底硅的腐蝕加工來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的立體結(jié)構(gòu)，并且常輔以Si-Si 晶片鍵合和Si-玻璃鍵合等手段。由于單晶硅有晶向的區(qū)分，可以用化學(xué)的方法（ 如用KOH） 實(shí)現(xiàn)很好的各向異性選擇性刻蝕，這是硅體微加工的基礎(chǔ)。硅體微加工技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)較大縱向尺寸的立體加工。基于硅體微加工技術(shù)，人們實(shí)現(xiàn)了多種 MEMS濾波器。

　　1.1薄膜和微帶線(xiàn)濾波器

　　為了減小高頻段時(shí)來(lái)自于襯底的損耗，利用硅體微加工技術(shù)的乙二胺鄰苯二酚濕法刻蝕硅形成的腔體實(shí)現(xiàn)微帶線(xiàn)的懸空，S. V. Robertson 等人制作了W波段（ 94.7 GHz） 耦合線(xiàn)帶通濾波器。濾波器的幾何圖形被制作在一個(gè)由薄膜支撐的傳輸線(xiàn)上，如圖1所示，傳輸線(xiàn)就相當(dāng)于懸浮在空氣介質(zhì)中，介質(zhì)損耗幾乎可以被忽略，且能避免 遭受輻射和產(chǎn)生色散寄生效應(yīng)。該濾波器的通帶插損為3.6 dB,其中導(dǎo)體損耗是整個(gè)部件插損的主要組成部分。部件的相對(duì)帶寬為6.1%.與該技術(shù)類(lèi)似，M. Chatras 等人在高阻硅襯底上實(shí)現(xiàn)了中心頻率為30 GHz 的高性能帶通薄膜濾波器。薄膜下的硅用四甲基氫氧化氨（ tetramethyl ammonium hydroxide,TMAH） 選擇性刻蝕。該濾波器插入損耗只有1.8 dB,并且易于集成到利用倒裝芯片技術(shù)的電路中。

　　圖1 W波段耦合帶通濾波器側(cè)視圖

　　1.2 微機(jī)械腔體諧振器和濾波器

　　利用硅體微加工得到的腔體做諧振腔，也可以實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)。

　　J. Papapolymerou 等人提出的X 波段腔體諧振器，由輸入輸出微帶線(xiàn)和微機(jī)械腔體組成，空腔通過(guò)兩個(gè)狹縫耦合到兩個(gè)微帶線(xiàn)上（ 圖2 （a）） .兩個(gè)微帶線(xiàn)利用淀積7.5 μm 厚的金以減小損耗；腔體金屬化層的厚度為2 μm.與其他傳統(tǒng)的金屬矩形、圓形波導(dǎo)諧振器相比，該諧振器尺寸大大地減小，并有高的Q 值（ 無(wú)載Q=506,是傳統(tǒng)微帶濾波器的4 倍）。

　　L. Harle 等人在硅上用狹縫耦合微機(jī)械腔實(shí)現(xiàn)了中心頻率為10 GHz 的帶通濾波器（ 圖2 （b）） .模擬的帶寬為4%,插入損耗在10.2 GHz 時(shí)為0.9 dB.測(cè)得的濾波器的帶寬為3.7%,插入損耗在10.01 GHz 時(shí)為2 dB,損耗的差異取決于微帶傳輸線(xiàn)的過(guò)渡和線(xiàn)長(zhǎng)。濾波器的整體尺寸為5 cm×3 cm×2 600 μm.該濾波器的特點(diǎn)是低損耗、窄帶寬、小尺寸以及易于單片電路集成，并且由于表面電流分布于大的導(dǎo)體表面而有強(qiáng)的功率負(fù)載能力。

　　圖2 微機(jī)械腔體諧振器和濾波器

　　1.3 薄膜聲體波諧振器與濾波器

　　薄膜聲體波諧振器（ thin-film bulk acousticwave resonator,TFBAR） 的概念早在20 世紀(jì)60 年代就已出現(xiàn)，但其發(fā)展一直受制于微細(xì)加工工藝技術(shù)的水平。隨著MEMS 技術(shù)的興起及其加工工藝的進(jìn)步，使可靠、可重復(fù)地制備TFBAR 成為可能，同時(shí)也由于RF 前端模塊中通用的陶瓷或聲表面波（ surface acoustic-wave,SAW） 濾波器進(jìn)入GHz 頻段后隨著工作頻率的增加性能退化等原因，許多人開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)基于TFBAR 的RF/微波濾波器。

　　薄膜聲體波濾波器通過(guò)壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)將電能量轉(zhuǎn)換成聲波形成諧振，在體積、功率負(fù)載等方面都比SAW濾波器具有優(yōu) 勢(shì)。K. Misu 等人用鈦酸鉛材料做壓電薄膜制作了體聲波濾波器，如圖3 所示。將部件的兩個(gè)電極設(shè)計(jì)成能被自由調(diào)整，在所需頻率上產(chǎn)生振蕩。兩個(gè)電極還起著反射器的作用，用以抵消無(wú)用聲波。采用硅體微加工工藝刻蝕去除下部的襯 底材料形成腔體，利用空氣-金屬界面得到聲體波的全反射，從而將聲體波限制在壓電薄膜和金屬電極內(nèi)。得到的濾波器整個(gè)部件的尺寸為0.69 mm×0.55 mm,在1.5 GHz 時(shí)的3 dB 帶寬為47 MHz.Y.D. Kim等人[8]利用以這種類(lèi)似結(jié)構(gòu)為基本單元的一種階梯拓樸結(jié)構(gòu)研制出的濾波器，在5GHz 濾段插入損耗只有2.8 dB。

　　圖3 薄膜體聲波濾波器

　　對(duì)于硅體微加工工藝來(lái)講，硅的化學(xué)刻蝕由于依賴(lài)于晶向，使得器件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的進(jìn)一步縮小都受到了限制。另外，襯底硅的大量刻蝕也會(huì)降低器件的機(jī)械強(qiáng)度。

　　2  LIGA 平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)和濾波器

　　LIGA 一詞來(lái)源于德語(yǔ)lithographie、galvanoformung和abformung 三個(gè)詞語(yǔ)的縮寫(xiě)，表示深層光刻、電鍍、模鑄三種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。LIGA技術(shù)是實(shí)現(xiàn)MEMS 微加工的一個(gè)重要手段。它借鑒了平面IC 工藝中的光刻技術(shù)，但是它對(duì)材料加工的深寬比遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)IC 生產(chǎn)中的平面工藝和薄膜的亞微米光刻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高深寬比3D 微結(jié)構(gòu)，且加工的厚度也遠(yuǎn)大于平面工藝的典型值2 μm.該工藝是利用深層輻射X 射線(xiàn)光刻，在厚的光刻膠層上設(shè)定所要求的模型。由X 射線(xiàn)作為光刻的光源，它的波長(zhǎng)短，對(duì)光刻膠有較強(qiáng)的穿透力，能獲得高的分辨率和高的深寬比。利用LIGA技術(shù)，T. L. Willke 等人在石英襯底上設(shè)計(jì)制作了耦合線(xiàn)型帶通濾波器（ 圖4） .其中，LIGA 傳輸線(xiàn)為200 μm 厚的鎳，有兩個(gè)開(kāi)路端口的！/4 平行線(xiàn)部分用作耦合單元，耦合氣隙深寬比大于6.75.與傳統(tǒng)的薄金屬相比，LIGA 傳輸線(xiàn)和諧振器之間有更好的耦合系數(shù)。帶通濾波器在14.6 GHz 時(shí)有的插入損耗，為0.15 dB。

　　圖4 LIGA耦合線(xiàn)帶通濾波器

　　3  MEMS 可調(diào)濾波器

　　近年來(lái)由于微波、毫米波波段的多頻段、寬帶無(wú)線(xiàn)通信系 統(tǒng)的迫切需要，基于MEMS 技術(shù)的可調(diào)諧濾波器逐漸引起了人們很大關(guān)注。這種濾波器由MEMS 開(kāi)關(guān)、共平面?zhèn)鬏斁€(xiàn)、可變電抗元件等構(gòu)成，它們具有低插入損耗，高線(xiàn)性度、高Q 值和更好的三階交調(diào)頻率點(diǎn)功率性能。根據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道，微波MEMS 可調(diào)諧濾波器按調(diào)諧方式可分為連續(xù)可調(diào)型和數(shù)字可調(diào)型兩類(lèi)。

　　3.1 連續(xù)可調(diào)濾波器

　　模擬可調(diào)濾波器的調(diào)節(jié)范圍比較小，一般為5%~15%,其可調(diào)元件為MEMS 可變?nèi)菪栽?/FONT>