微波MEMS滤波器的研究进展

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