[發明專利]一種電容式雙橢圓盤的微機械帶通濾波器

在審

• 申請號: 201710449384.9
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN107248851A
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: 任靈
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H03H9/02
• 分類號: H03H9/02;H03H9/05;H03H9/46
• 代理公司: 杭州奧創知識產權代理有限公司33272
• 代理人: 王佳健

技術領域

本發明涉及一種微機械MEMS濾波器結構，屬于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(Microelectro Mechanical Systems)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,用于開發具有小型化、智能化的產品,是微電子技術應用的又一次革命。用于射頻通信領域的RF-MEMS微機械濾波器,是一種采用MEMS技術制作,基于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后,再將機械信號轉換回電信號輸出給后續模塊使用。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。按所采取的換能方式來分,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于高頻。壓電式諧振器機電具有較小的運動阻抗,易于射頻電路匹配,但壓電驅動方式在驅動時需要利用材料的壓電特性,頻率的穩定性和重復性較低,且對壓電材料也有要求,增加了工藝的復雜性。而目前對電容式的濾波器的研究中,多是采用梁結構,因此對于碟型電容式濾波器需要進一步的研究。

發明內容

本發明的目的在于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,采用電容換能方式,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采用的技術方案是:

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硅制成；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并連接到封裝管殼引腳上，并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，即它們的結構位于同一層；輸入電極上方引入交流電壓焊點連接到封裝管殼引腳上，并接入交流電壓；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，并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于擴張或收縮狀態，使橢圓盤做類似于呼吸狀振動。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,并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于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于這兩個諧振頻率值之間時，諧振器均處于諧振狀態，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。

本發明采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。材料采用多晶硅,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）；