微波MEMS滤波器的研究进展

滤波器是射频微波系统必不可少的重要组成部分，性能优异的滤波器模块是射频微波通信系统能正常工作的必要前提。传统的微波滤波器虽然在参数指标上有很优秀的性能，但是其庞大的体积不但使得相应的微波通信系统更加庞大，并使产品成本也一起随之上升；同时，随着MMIC（单片微波集成电路）技术发展，对微波滤波器也提出了集成化的高要求。

MMIC滤波器，其高的插入损耗和低的Q值限制了自身的发展。近十多年来，随着MEMS（微机电系统）工艺和MEMS器件的成熟，给微波滤波器的集成化注入了新的活力。与传统的VLSI工艺相比，MEMS技术在不牺牲器件性能的前提下，可以实现微波无源器件的集成化。基于MEMS工艺的微波MEMS滤波器不仅具有优异的频率选择能力（高Q）和低的插入损耗，而且在体积上远小于传统微波滤波器，易于集成，为微波单片集成系统的实现奠定了良好的基础，MEMS滤波器已成为国内外研究的热点。

按滤波器的用途分，微波MEMS滤波器可分为可调节MEMS滤波器和非调节MEMS滤波器两大类，文章将对这两类MEMS滤波器进行分类讨论。

1、MEMS可调滤波器

由于现代微波通信雷达系统便携化和通用化的发展需求，实现能够软件控制的可编程微波收发系统是现代微波通信雷达系统的重要发展方向。能根据需求调节频率选择范围的微波滤波器是微波系统具有重构性的基础；同时，在通信系统的前端，通过可调滤波器，实现通信系统信道的选择也是一种新的系统解决方案。传统可调滤波器不易实现集成，MEMS可调滤波器以其优异的性能，成为了突破射频微波系统通用性不强的约束的最佳选择。

MEMS可调滤波器可以分为三类：（1）磁场调节滤波器；（2）电场调节滤波器；（3）机械调节滤波器。磁场调节滤波器（例如YIG）和机械调节滤波器体积巨大，难以集成，在此不做讨论。该节主要讨论基于MEMS开关和MEMS可变电容的两类MEMS可调滤波器。

1.1、MEMS开关可调滤波器

MEMS开关可调滤波器通过开关的导通和关闭，使接人滤波器的电抗部分发生变化，从而来调节滤波器的谐振频率，使滤波器的通带或阻带中心频率发生偏移。因此，可以根据需求设计MEMS开关阵列，通过软件来控制MEMS滤波器的工作状态，使系统具有重构性。同时，由于RF-MEMS开关具有低损耗、高隔离度和高线性度的特点，MEMS开关阵列产生的寄生参数对滤波器的影响很小，这也使MEMS开关可调滤波器具有更诱人的发展前景。

MEMS开关可调滤波器的设计可以在传统MMIC滤波器的基础上实现。A.Ocera等人设计的发卡式MEMS可调滤波器（如图1所示），通过开关改变发卡式谐振器的物理长度来改变谐振器的谐振频率，从而达到可调的效果。Pillans.B等人采用硅衬底上的微带传输线来设计滤波器MEMS可调滤波器（如图2所示），用MEMS电容开关组来实现调节，调节状态间隔100MHz。其设计的低通滤波器有56个调节状态，插入损耗在2dB～4dB之间；高通滤波器有80个可调状态，插人损耗在3dB-5dB之间。据该文献介绍，如果滤波器的衬底采用氧化铝或者在硅和微带之间用MEMS工艺制作一层绝缘薄膜，可进一步减小滤波器的损耗。Zhang.R等人用槽线制作的低通MEMS开关可调滤波器，插人损耗可降低至0.6dB左右，可见，损耗并不会成为MEMS开关可调滤波器的主要问题。

图1、MEMS开关可调发卡式滤波器

图2、MEMS开关可调低通滤波器

不但传统的MMIC滤波器可和MEMS开关一起实现可调滤波器，一些新的电路结构也可和MEMS开关一起构造可调滤波器。Karim.M.F等人采用CPW（共面波导）传输线上的EBG（电磁带隙）结构级联形成的周期性结构来设计带阻滤波器（如图3），衬底使用高电阻率的硅衬底，MEMS开关可以调节阻带的中心频率。在设计的阻带范围内，阻带衰减大于20dB；在通带范围内损耗在1.3dB～2.4dB之间。Ehab K.I.Hamad等人设计的二维MEMS可调周期性缺陷接地（PDGS）谐振器结构也同样具有代表性，如图4所示，整个结构设计在高阻硅的CPW传输线上，由8个MEMS开关来控制缺陷接地（DGS）的加载情况，从而来控制该谐振器的谐振频率。该结构在19.4GHz～27.1GHz之间具有26个可调状态，并且具有高的阻带抑制能力和很低的通带插入损耗。

图3、共面波导可调滤波器

图4、二维MEMS可调周期性缺陷接地（PDGS）谐振器结构

图5、MEMS器件的发展状况，横条上所注为提供产品的公司

MEMS开关的性能是整个MEMS开关可调滤波器的关键，然而，MEMS开关仍存在很多的问题，例如：直流驱动电压（5V～60V）要求过高、使用寿命有限、开关速度过慢等。MEMS开关可调滤波器要实现产业化，还得有一段路程要走。图5是BouchaudJ等人对MEMS器件的发展态势的评估图，可以看出，各类MEMS器件正逐步走向产业化。随着MEMS开关器件的发展成熟，MEMS开关可调滤波器将在微波通信领域发挥巨大的作用。

1.2、MEMS可变电容可调滤波器

采用MEMS开关的可调滤波器所能调节的频率范围是离散的值，这限制了MEMS开关可调滤波器的使用范围。而采用可变电容的MEMS可调滤波器可以实现频率的连续调节。

MEMS可变电容可调滤波器的研究也逐渐成为MEMS滤波器的一个热点。Hong.Teuk Kim等人采用悬臂式MEMS可变电容实现了两个Ka波段的可调带通滤波器，可调范围分别是4.2%（26.6GHz）和2.5%（32GHz），通带插人损耗分别为4.9dB和3.8dB。A1-Ahmad.M等人提出的耦合微带上的LTCC（低温烧结陶瓷）带通滤波器，使用压电材料设计的MEMS可变电容，频率调节范围从1.1GHz-2.6GHz，插入损耗在2dB-4dB之间。

目前，国际上报道的MEMS可变电容可调滤波器的损耗一般比MEMS开关可调滤波器大，并且MEMS可变电容发展目前还不成熟（如图5所示）。因此，要得到性能优越的连续可调滤波器，还得期待MEMS技术的进一步发展。

2、非调节MEMS滤波器

非调节MEMS滤波器按工作原理可以划分为两类：（1）MEMS谐振器；（2）基于MEMS工艺的RLC调谐滤波器。MEMS谐振器有机械式谐振器和介质谐振器两大类。用MEMS机械式谐振器制作的滤波器虽然性能优异，但是其应用频率范围在100MHz范围以内，在此不做后续讨论。MEMS介质谐振器主要有体声波器件（BAW）和SMR型器件，由于SMR型器件还存在很大的技术和工艺方面问题，这里不做详细讨论。下面主要讨论MEMS介质谐振器中相对比较成熟的薄膜体声波谐振器（FBAR）。

2.1、薄膜体声波谐振器（FBAR）

薄膜体声波谐振器（FBAR）的结构如图6所示，它由3个基本单元构成：产生谐振的压电薄膜、施加电场的电极以及建立驻波的反射面。输入的电信号由压电薄膜的逆压电效应转化为声信号；当声波在上下界面内谐振时，阻抗表现为最大值（并联谐振）或最小值（串联谐振）；最后由压电薄膜的压电效应将声信号转化为电信号输出。谐振频率上的声波损耗最小，只能使特定频率的波通过，通过级联可以实现带通滤波器。

图6、薄膜体声波谐振器（FBAR）结构示意图

FBAR滤波器的Q值数量级可以达到一千以上，它能够处理2W 以上的输出功率，具有很强的功率处理能力；同时，FBAR可以实现单片集成，这是一些常用的射频滤波器如陶瓷滤波器、SAW（表面声波滤波器）所不具有的优势。表1列出了几种滤波器的比较：

表1、几种滤波器的比较

FBAR是目前发展最成熟并且已经产业化的MEMS器件（如图5所示），已被应用于CDMA（码分多址）等通信系统中。到目前为止，已有很多公司（如EPCOS、Fujistu）推出了商用的体声波滤波器。国内FBAR技术目前还处于理论研究和实验阶段。

目前的体声波滤波器仍存在一些问题，主要体现在：（1）工作频率范围集中在X波段以下，在毫米波段仍然没有得到很大的发展；（2）压电薄膜材料（PZT）的制备及其性能仍不理想。运用三维MEMS工艺，构造高机电耦合系数（Kt）、高Q值的压电薄膜是目前体声波滤波器发展的重点。

2.2、基于MEMS工艺的RLC调谐滤波器

由于传统的RLC调谐滤波器的设计方法非常成熟，这可减小MEMS滤波器的设计周期和设计难度。将MEMS的加工工艺应用于设计好的传统RLC调谐滤波器，不但可以克服传统MMIC滤波器损耗高、Q值低等特点，还可以有效减小芯片面积。

RLC调谐滤波器可以设计为两种：（1）集总元件滤波器；（2）分布元件滤波器。由于它们自身实现方式的不一致，相应采取的MEMS加工工艺也不一致。

2.2.1、MEMS集总元件滤波器

集成电感电容的低Q值和低自谐振频率一直是限制集总滤波器的最主要因素，传统CMOS工艺的电感Q值都在10以下，自谐振频率也很低。MEMS工艺采用三维的加工工艺，可以制作高Q的电感电容。

由上海交通大学微纳米科学技术研究院制作的双层悬空结构电感，Q值可以达到20；国外报道的MEMS电感Q值在10～3O之间。图7所示为采用倒装法制作的悬空电感结构图，ZengJun等人使用支撑柱使电感金属线圈悬空，形成悬空结构，这提高了电感Q值。采用高Q的元件设计滤波器，不但其性能优越，而且滤波器的电路设计也非常简单。

图7、采用MEMS工艺的悬空电感结构

（a）螺旋结构（b）弯折线结构

2.2.2、分布元件滤波器

分布元件滤波器采用各种微波传输线来设计。在微波单片集成电路中通常使用微带线和共面波导传输线（CPW）。传输线的损耗主要来自于导体损耗和介质损耗，通过MEMS工艺，在传输线导体下淀积绝缘薄膜，或者刻蚀槽形成悬空结构（如图8所示），可以有效减小微波传输线的损耗。

图8、共面波导悬空结构，刻蚀掉中央导体两边的槽线介质形成悬空结构

3、结束语

将MEMS技术应用于单片微波集成电路，在微波滤波器集成化的同时，使微波系统能够具有可重构性，这是实现现代通信和微波单片系统的重要手段。然而，MEMS滤波器依赖于MEMS技术的发展，MEMS技术的发展时间还非常短，实现更加成熟、低成本、高可靠性的MEMS器件是进一步提高MEMS滤波器性能的关键，这也是MEMS滤波器今后的主要发展方向。

4、致谢

文章得到中国科学院百人计划和德国洪堡基金会资助。

作者：
李文明^1,2、李骁骅^1,2、杨月寒^1,2、刘海文²、杨谟华¹、于奇¹
（1.电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都610054）
（2.中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，成都610209）