一種電容式雙橢圓盤的微機械帶通濾波器的製作方法

2023-05-19 06:56:31 1

本發明涉及一種微機械mems濾波器結構，屬於射頻通信及微機電系統(mems)技術領域中的元器件技術領域,具體涉及一種由兩個完全相同的電容式橢圓盤形諧振器耦合的微機械帶通濾波器。

背景技術：

mems即微機電系統(microelectromechanicalsystems)的簡稱,它結合了機械與電氣的雙重特性,將微電子技術和精密機械加工技術相互融合,用於開發具有小型化、智能化的產品,是微電子技術應用的又一次革命。用於射頻通信領域的rf-mems微機械濾波器,是一種採用mems技術製作,基於機械振動的固有諧振頻率進行選頻的特種濾波器,將傳感器、執行器、電子線路等一些電子元件組合成一個系統,把接收到的輸入電信號通過機電耦合轉換為機械振動,在機械部分完成濾波功能後,再將機械信號轉換回電信號輸出給後續模塊使用。不但具有體積小,重量輕,性能穩定等優點外,還能與電路元件集成,具有非常好的頻率選擇特性。因而射頻微機電濾波器具有很高科研價值和研究意義。

隨著通信行業的迅猛發展,可集成化和小型化成為射頻通信系統中的重要發展趨勢,傳統濾波器雖然性能優異,但體積和重量實在龐大,mems技術為新一代獨特的、高性能濾波器的實現提供了新的機遇。按所採取的換能方式來分,微機械諧振器可以分為:電容式、壓電式、熱轉換式和電磁式四種。其中前兩種是最適用於高頻。壓電式諧振器機電具有較小的運動阻抗,易於射頻電路匹配,但壓電驅動方式在驅動時需要利用材料的壓電特性,頻率的穩定性和重複性較低,且對壓電材料也有要求,增加了工藝的複雜性。而目前對電容式的濾波器的研究中,多是採用梁結構,因此對於碟型電容式濾波器需要進一步的研究。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對背景技術所存在的不足,設計了一種電容式雙橢圓盤諧振器耦合的微機械帶通濾波器,採用電容換能方式,通過機械彈性耦合梁兩端連接諧振器構成濾波器,結構簡單,降低加工工藝難度,實現中心工作頻率，帶寬可調節的帶通濾波器。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:

本發明包括機械部分和電氣部分。機械部分結構對稱,包括兩塊尺寸完全相同的振動橢圓盤、耦合梁、輸入電極、輸出電極、兩個尺寸完全相同的橢圓盤錨點及絕緣底層；電氣部分包括交流電壓源、輸入端電阻、負載電阻、地。兩塊振動橢圓盤通過設置在橢圓盤長軸外連接處的耦合梁連接，輸入輸出電極分別圍繞在兩塊振動橢圓盤周圍，構成電容換能式諧振器。

進一步的，振動橢圓盤、錨點、電極和耦合梁由多晶矽製成；錨點下底面連接基片，上底面連接橢圓盤下底面使其懸空在基片上，錨點上引入偏置電壓焊點並連接到封裝管殼引腳上，並接入一定值的直流偏置電壓。

進一步的，橢圓盤、耦合梁厚度一致，即它們的結構位於同一層；輸入電極上方引入交流電壓焊點連接到封裝管殼引腳上，並接入交流電壓；輸出電極上方引入交流電流焊點連接到封裝管殼引腳上，會有相應的電流信號流出，並通過負載電阻轉換為輸出電壓信號。

進一步的，橢圓盤和電極間留有狹小的縫隙，在輸入電極上加載交流電壓，可以對振動橢圓盤產生一定的水平方向上的靜電推挽力，該推挽力會使諧振塊處於擴張或收縮狀態，使橢圓盤做類似於呼吸狀振動。縫隙的寬度要保證橢圓盤擴張位移最大時不能與電極觸碰。

進一步的，設計耦合梁的長度滿足λ/4的整數倍，使橢圓盤擁有同相和反相兩種振動模態,並且能量傳輸損失最小。

還需要說明的是，諧振器決定了濾波器的中心頻率，連接的耦合梁剛度決定了濾波器的帶寬。錨點固定的橢圓盤諧振器結構基於諧振原理在某個頻率處會發生諧振，而耦合梁的存在擴大了諧振器組的工作頻率，使兩個橢圓盤諧振器能量耦合,合成具有同相和反相兩種振動模式的耦合系統。同向時，系統諧振頻率最高，反相時，系統諧振頻率最低。當輸入信號的頻率位於這兩個諧振頻率值之間時，諧振器均處於諧振狀態，輸出端諧振器的電容發生較大幅值的改變，在偏置電壓的作用下，會有相應的電流信號輸出。通過上述電-機械-電信號的轉換，實現對輸入信號的選頻作用。

本發明採用兩個完全相同的橢圓盤式諧振器通過耦合梁耦合而構成一種電容式微機械帶通濾波器，體積重量小、諧振頻率高、響應時間短。濾波器帶寬可通過調節耦合梁改變；濾波器工作中心頻率可通過調節橢圓盤與電極間的間隙或橢圓盤的尺寸改變。材料採用多晶矽,器件具有優良的機械電氣性能。另外mems工藝與ic工藝相似,可實現大規模的批量化生產,降低生產成本。

附圖說明

圖1是本發明濾波器電路加機械整體示意圖（俯視圖）；

圖2是圖1中橢圓盤結構左視圖。

圖中1.1、1.2:振動橢圓盤,2.1:輸入電極,2.2:輸出電極,3.1:輸入電極-橢圓盤間隙,3.2:輸出電極-橢圓盤間隙,4.1:交流電壓焊點,4.2:交流電流焊點,5.1、5.2:偏置電壓焊點,6.1、6.2:橢圓盤錨點,7:連接耦合梁,8:輸入電阻,9:負載電阻,10:交流電壓信號,11.1、11.2、11.3:金屬連接走線,12.1、12.2:地,13:輸出埠,14:基片。

具體實施方式

下面結合附圖和實施實例對本發明進一步說明。

在圖1中，振動橢圓盤1.1和1.2懸空在基片14上，其底面中心處的橢圓盤錨點6.1、6.2支撐使其與基片14隔離。振動橢圓盤1.1周圍環繞著輸入電極2.1，橢圓盤1.2周圍環繞著輸出電極2.2。3.1是輸入電極和橢圓盤之間的間隔,3.2是輸出電極和橢圓盤之間的間隔。耦合梁7連接橢圓盤1.1和1.2。輸入電極2.1上方引入交流電壓焊點4.1，交流電壓信號10一端接地12.1，另一端通過金屬導線11.1連接輸入電阻8,電阻8另一端通過金屬導線11.2連接到交流焊點4.1；輸出電極2.2上方引入交流電流焊點4.2，負載電阻9一端接地12.2，另一端通過金屬導線11.3連接到輸出交流焊點4.2,轉換輸出電流為輸出電壓信號到輸出埠13。

在圖2中，橢圓柱錨6.1和6.2上底面連接橢圓盤1.1和1.2，下底面連接基底14;輸入電極2.1和輸出電極2.2下底面連接基片14,橢圓盤1.1、1.2的高度與連接耦合梁7的高度相同,橢圓盤1.1和1.2上方設置偏置電壓焊點5.1和5.2,並用金線連接到封裝管殼引腳上。

本領域的普通技術人員應當認識到，以上實施例僅是用來驗證本發明，而並非作為對本發明的限定，只要是在本發明的範圍內，對以上實施例的變化、變形都將落在本發明的保護範圍內。