可调的低通滤波器和RF MEMS电容和输电线路

文摘

我们提出了一个射频MEMS可协调的低通滤波器。分布式传输线和RF MEMS的参数被用来代替集中的元素。使用射频MEMS的功放给调优的灵活性低通滤波器的截止频率。我们已经设计了一个低通滤波器在9 - 12 GHz截止频率使用阶梯阻抗传输线理论。一个原型滤波器的制作使用平行板的参数。变量并联各由一个组合的平行板射频MEMS的功放。截止频率调谐从C到X乐队由驱动并联电容的不同组合桥梁。测量结果与仿真结果吻合较好。

1。介绍

射频微机电系统(RF mems)技术提供了一个有吸引力的能力对于射频系统,特别是在开关和调优功能的支持。其中一个组件是一个微机电电压可协调的电容器,这可以使一个宽调谐范围和高质量(Q)的因素。在本文中,我们提出一个可协调的低通滤波器的设计结合射频MEMS电容和高阻抗传输线。低通滤波器设计通过stepped-impedance传输线理论的过滤器。过滤器可以开发与表面微加工不需要任何外部电感。这将给集成和简单的工艺处理的灵活性。

与固态变容器相比,MEMS可协调的电容器有降低损失和潜在的优势大调谐范围(1]。互连损失和噪音也可以减少与片外固态射频组件的使用。在所有的MEMS电容开发迄今为止,平行板配置是最常用的。驱动机制主要是静电驱动期间消耗的功率非常小。在标准滤波器设计在低频率,MEMS变容二极管与片外电感作为集总元件。在高频率,低通滤波器设计与综合报道输电线路和MEMS开关(见蔡et al。2和方舟子et al。3])。在[2滤波器的优化是通过改变传输线长度使用MEMS开关。在[3平面螺旋电感和并联电容器使用但没有任何调优功能。同时,低通和带通滤波器集成电容式MEMS开关和短归纳输电线路已经意识到10 GHz以上(4- - - - - -6]。在[4),截止频率的调整是通过切换不同的电感和电容的组合。在[5,6),截止频率调谐使用MEMS开关通过改变电感。

在本文中,我们展示了一个设计的低通滤波器高阻抗传输线和RF MEMS电容,调优在哪里得到的电容调优。MEMS开关设计在并联配置共面波导(CPW)。MEMS电容并联开关是用于stepped-impedance低通滤波器代替低阻抗的传输线。系列电感器的低通滤波器是使用短节实现高阻抗的传输线(4]。低通滤波器的初步理论提出了利用输电线路和MEMS的功放(7,8]。这个过滤器更优雅而紧凑的比基于传统过滤器λ/ 8长存根和传输线过滤器(9]。电容调谐比电感更有效和输电线路调优。改变电感和输电线路,需要额外的MEMS开关,增加系统的复杂性和损失(2- - - - - -6]。设计滤波器的调谐范围大,超过60%的名义截止频率。虽然步骤阻抗过滤器没有很锋利的滚边,它们可以用于某些应用程序需要紧凑的大小和一个宽调谐范围和更少的滚边可以接受。可以使用低通滤波器,例如,在上面的谐波抑制频率合成器的基本频率。高调谐范围将非常有用的系统与多个频段的操作。

MEMS电容理论和三阶3 dB涟漪切比雪夫低通滤波器中描述部分2。过滤器设计和优化与先进的设计系统(ADS)从安捷伦10]。滤波器的原型制作了自己的设施SINTEF MiNaLab在奥斯陆,挪威。三个平行板桥梁被用作可协调的功放。电容的优化是通过驱动的不同组合桥梁。过滤器的制造提出了部分3。滤波器的测量提出了部分4。测量结果与仿真结果的比较筛选,考虑过程约束的影响,还讨论了在部分4。最后,本文得出结论。

2。电容开关和三阶滤波器的理论

2.1。平行板电容开关的理论

一个MEMS电容式开关组成的暂停前板和固定板底电极重叠区域如图1。和电极的长度和宽度,分别。一个直流偏置电压,应用之间的桥梁,对双方的两个独立的驱动电极中心导体,如图1。所有电极覆盖厚度的介质和相对介电常数。最初的差距是中间的中心电极没有直流电压时。直流电压时桥和驱动电极,最初的差距减少根据驱动电压(11]。如果边缘场效应被忽视,电容的值之间的悬浮桥和中心导体偏转可以由桥的 当应用驱动电极和桥之间,一个有吸引力的静电力吗生成的值:

在这里,是总桥和两个驱动电极之间的电容,是距离顶板已经从最初的位置,是驱动电压,是初始驱动电极和悬桥之间的差距。这静电力试图把顶板。梁的机械弹簧常数(刚度)试图把梁回到北部的位置。对于小变形量、静电和弹性力大小相等。当光束偏转三分之一的初始差距,静电力变得比机械的回复力。此时光束完全崩溃状态,这种电压称为下拉电压。下状态电容是由

2.2。理论Stepped-Impedance过滤器

它是众所周知的9),如果传输线的长度是短(),特性阻抗高,输电线路可以表示为如图所示的等效电路2(一个)的电抗是哪里

在这里,这条线的特性阻抗的长度是,传播常数。因此,电感可以表示为一系列短high-characteristic-impedance传输线的长度。集中元素过滤模型,取代了并联电容器的RF MEMS电容将提供调优截止频率的能力。

2.3。三阶低通滤波器拓扑设计

三阶低通滤波器拓扑如图2 (b)。基本过滤元素从切比雪夫等波纹中提取低通滤波器原型(7- - - - - -9]。规范化给出了3 dB涟漪切比雪夫滤波器元素,这是负载阻抗(9]。3 dB的涟漪,用于给一个尖锐碾轧高于截止频率。我们选择了一个名义上的截止频率为7.0 GHz。最大输电线路阻抗为80Ω,输电线路的长度变得25。5°和名义电容值变成1.52 pF截止频率时7 GHz。该过滤器是在280年制作的μ米认为高电阻率硅衬底。基质是11.9的相对介电常数和电阻率是8000Ω-cm。滤波器截止频率的优化广告后,名义并联电容器的值变成了1.1 pF和80Ω线的长度就变成了1467μm(30.7°)所需的响应(10]。50ΩCPW传输线,尺寸是80卡路里μ米/ 140μ米/ 80μ米()。80ΩCPW传输线,尺寸是160卡路里μ米/ 53μ米/ 160μ米()。更高的价值,比如100Ω或者更多,可以选择串联电感的阻抗。这将使输电线路非常狭窄,增加通带的损失。

3所示。制造的过滤

装配式过滤器的示意图如图3。制造执行在SINTEF MiNa-Lab在奥斯陆。每个并联电容的组合两个12μ米宽(双方)和一个15μ米宽(中)分流桥。电容的变化可以通过驱动个人桥梁,或结合一个或多个桥梁。中心电极和驱动电极的厚度介质(Si₃N₄)220海里。铝用作输电线路。

four-mask过程被用来制造该过滤器。一个280μ米厚的硅晶片与4 - 8 kΩ-cm(由供应商指定)电阻率是用于制造。500纳米厚氧化生长在硅晶片获得较低的损失。然后一个500纳米厚被溅射沉积和湿蚀刻图案。一个220纳米厚的硅₃N₄是沉积介质的plasma-enhanced化学蒸汽沉积(PECVD) ",干蚀刻图案。HiPR 6517光刻胶被用作牺牲层。抵制厚度为2.55μm和有图案的标准光刻技术和特殊的烘焙方法(详细描述12]。然后,1.1μ米厚的黄金是气急败坏,湿蚀刻图案。黄金在500瓦气急败坏,20毫托的压力来获得较低的拉伸应力(13]。黄金是气急败坏时,输电线路与1.1也气急败坏的说μ米额外黄金铝。低拉伸应力保证low-pull-down电压和提供更好的可靠性。最后,并联电容桥被溶解释放丙酮和干的抵制一个临界点干燥机(12]。的扫描电子显微镜(SEM)图像伪造过滤器如图4。如图4、驱动电极与射频信号分离电极,并且每个桥都有自己的驱动电极。中心窄线是80欧姆传输线,相当于一系列感应器。电容器是80欧姆输电线路的两端,分流50欧姆传输线。在图中,可以看到并联电容器的三个平行的桥梁。延长50欧姆输电线路与数据调查用于测量目的。

4所示。测量结果与仿真的制造约束

的过滤器在矢量网络分析仪测量。滤波器的特点是测量30兆赫。标准line-reflect-reflect-match (LRRM)被用于网络分析仪的校准方法。测量滤波器年代参数如图5。我们测量了过滤器的特点有一个桥(15μ2米宽中心桥),桥梁(15μ米和12μ米宽桥)。由于缺乏驱动设备,我们不能一起开动所有三个平行的桥梁。一桥的截止频率是12个GHz,两座大桥下来9 GHz。过滤器是非常紧凑的传统half-wave-length传输线滤波器相比。此外,通带的损失是相当小的。

截止频率略高于设计频率。加工后,过滤器检查在光学干涉仪测量实际的桥的宽度和高度。实际桥梁的初始高度是2.25μ米,宽度平均减少1μ从每一方由于过腐蚀。黄金通常是光滑的和发现的平均粗糙度黄金7海里。“社会党国际”₃N₄平均粗糙度是9海里,但粗糙度的主要贡献是铝。这是因为高温Si (300°C)₃N₄沉积。从原子力显微镜(AFM)测量,发现铝疙瘩的高度约为80海里。随着氮化铝沉积在,总粗糙度的电容是96海里。考虑overetch和粗糙度的电容值是0.38 pF 15μ米桥(13μ米的宽度)。过滤器是resimulated上述参数。仿真与测量的结果的过滤器,如图5。高分辨率的测量参数也显示在图6。测量插入损耗小于1.25 dB的通带的配置。滤波器在通带少量的涟漪。测量结果与模拟结果吻合较好,得到过腐蚀和粗糙度的影响。有一个略高测量滤波器的截止频率。这可能发生,因为nonplanarity桥的州南部,这将进一步降低的电容。通过使用相同的粗糙度如前所述,估计的电容就0.30 pF 12μ米桥(10μ米的宽度)。总电容的变成了0.68 pF在两座大桥。这种状态的模拟和测量结果进行了比较,如图5。从这个图中,可以看出,再次测量滤波器的截止频率高的原因上面所讨论的。此外,窄桥会相对更多的过腐蚀和更少的平面性。

5。结论

我们已经提出了一个可协调的低通滤波器设计输电线路和MEMS电容。截止频率的调整是通过驱动几个平行的桥梁。测量结果与模拟结果吻合较好考虑到制造效果。过滤器滚边不是很锋利,但可以改善使用高阻抗传输线和高阶滤波器。然而,这可能会有一些缺点。因为只有电容用于调优和电感是固定的,高阶滤波器会减少调谐范围。此外,这将是复杂的同时调整所有电容器。制作过滤器非常紧凑,有很好的调谐频率的控制。

确认

作者感谢挪威研究理事会资助通过SMiDA项目(没有工作。159559/130)和IRRFT项目(没有。159259 / I40)。作者还要感谢MiNa-Lab洁净室人员的支持。

引用

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