專利名稱：一種基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，適用于太赫茲波段，屬于太赫茲技術領域。
背景技術：
近年來，太赫茲技術發展越來越快，應用也越來越廣。太赫茲波在頻段上介于微波與紅外之間，屬于電子學與光子學的交叉區域。太赫茲波具有瞬態性、相干性、帶寬寬、光子能量低、對非金屬非極性材料穿透性強等獨特性質，因此，在成像、檢測、通信、射電天文等方面具有廣泛應用前景。但是太赫茲波領域目前仍缺乏如濾波器、放大器等低成本的高性能器件。其中，濾波器是雷達、通信和成像系統中的關鍵器件，傳統濾波器在太赫茲頻段的設計與實現是一項重大的挑戰。在太赫茲技術中，光子晶體可以用來設計各種功能器件，光子晶體是指具有光子帶隙特性(Photonic BandGap,簡稱PBG)的人造周期性結構的材料，具有光學禁帶和通帶。然而在太赫茲波段，電磁波波長很短，無源器件絕對尺寸小，受限于材料特性和制備工藝，采用常規加工工藝已無法完全滿足復雜結構或精細結構的設計。
發明內容
本發明針對上述缺陷，解決了太赫茲波段濾波器，尤其是波導或腔體濾波器的插入損耗大以及加工制作困難的問題，提供一種相對現有技術可以實現的結構緊湊、可批量生產、易于集成、成本低、體積小、基于MEMS工藝THz波段Electromagnetic Crystals (簡稱EMXT)腔體濾波器。本發明是通過以下技術方案實現的。本發明的基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，包括上層硅圓片、下層硅圓片和主體部分；上層硅圓片有定位槽和盲文標示；主體部分包括PBG結構和波導腔，PBG結構由娃柱組成，娃柱之間填充有空氣；PBG結構位于波導腔的腔體內；所述的娃柱的表面派射有金層，金層的厚度為200nm ；在PBG結構中引入了線缺陷和點缺陷，線缺陷形成PBG波導，位于波導腔的腔體內左右兩側，多個點缺陷形成中間三個諧振腔結構；濾波器可外接WRl.9 (483 μ mX 241 μ m)或 WR2.2 (560 μ mX 280 μ m)標準金屬波導。濾波器中諧振腔結構的大小通過缺陷結構的設計和硅柱尺寸的改變來控制，調節諧振腔結構的參數可以控制濾波器的中心頻率；濾波器中晶格常數a=120ym，硅柱直徑d=48 μ m,兩側PBG波導端口的寬度w=483 μ m, PBG波導9、10端口的高度為241 μ m ;中間諧振腔結構的半徑為R=357 μ m，腔體的徑向間距al = 120 μ m ;濾波器采用上層硅圓片和下層硅圓片為材料進行加工；上層硅圓片和下層硅圓片的基片厚度為400 μ m。有益效果
本發明中的濾波器采用體硅MEMS工藝中的電感耦合等離子體(ICP)刻蝕技術、表面加工工藝中的金濺射工藝和金-金熱壓鍵合技術相結合的工藝路線，采用的硅晶圓的基片厚度為400 μ m，綜合考慮金的趨膚深度、降低成本和提高加工精度，為了保證THz波高效傳輸，金表面厚度選在200nm左右。MEMS技術加工高精度高，可批量生產，加工的器件體積小便于集成，且硅的機械電氣性能優良。本發明中的THz波段EMXT腔體濾波器由硅襯底材料通過體硅MEMS工藝中的電感耦合等離子體(ICP)刻蝕技術、表面加工工藝中的金濺射工藝和金-金熱壓鍵合技術相結合的工藝路線加工得到，采用的硅圓片的基片厚度為400 μ m。本發明中的EMXT腔體濾波器是太赫茲波段基于光子晶體結構的帶通濾波器，工作的頻帶范圍在0.45THZ-0.55THz內。該濾波器具備的功能是使規定頻帶的太赫茲波通過，使帶外的太赫茲波截止。光子晶體是指具有光子帶隙特性(Photonic Band Gap,簡稱PBG)的人造周期性結構的材料，具有光學禁帶和通帶，可以用來設計各種功能器件。0.5THzEMXT腔體濾波器由PBG波導和3個諧振腔體組成，即引入線缺陷和點缺陷。PBG結構采用的是濺射金層的硅柱，中間填充的部分為空氣。濾波器可外接WRl.9 (483 μ mX 241 μ m)或WR2.2(560ymX280ym)標準金屬波導，以便在測試時與矢量網絡分析儀的頻率擴展模塊連接。太赫茲波能量由標準波導以TEltl模的形式饋入通過諧振腔體并傳導到另一端口的波導。硅柱2的介電常數為11.9，濺射金層的電導率為3.96X107S/m,晶格常數a=120 μ m,硅柱2直徑d=48 μ m。根據趨膚深度公式計算，在0.5THz附近，金的趨膚深度為11 lnm，綜合考慮金的趨膚深度、降低成本和提高加工精度，為了保證THz波高效傳輸，金表面厚度選在200nm左右。濺射金層的表面導電率引起的傳輸損耗可通過矩形波導中TE10模的衰減公式計算，以WRl.9標準波導為例，在0.5THz傳輸TEltl模時衰減為0.0222dB/λ 0.5ΤΗζ。濺射金層的粗糙度引起的傳輸損耗，可通過等效電導率公式和TEltl模衰減公式得到。0.5THz EMXT腔體濾波器的3dB帶寬為0.482THz_0.516THz，通帶帶寬為7%，一倍帶寬外帶外抑制小于-20dB,帶內插入損耗小于2dB。本發明在傳統微波濾波器的理論基礎上，結合國內MEMS工藝實際和硅片的物理化學特性，提出一種新型基于PBG結構的太赫茲EMXT腔體濾波器，采用體硅MEMS工藝實現實物加工且表面粗糙度滿足太赫茲頻段器件設計的需求。
圖1是濾波器的爆炸結構示意圖；圖2為主體部分的平面結構示意圖；圖3為濾波器的立體示意圖；圖4是基于PBG結構的0.5THz EMXT腔體濾波器的不同腔體半徑時的S21參數幅值變化；圖5是基于PBG結構的0.5THz EMXT腔體濾波器的不同晶格周期時的S21參數幅值變化；圖6是基于PBG結構的0.5THz EMXT腔體濾波器的S11和S21參數的幅值；圖中:1-上層硅圓片、2-下層硅圓片、3-諧振腔結構、4-波導腔、5-硅柱、6-主體部分、7-定位槽、8-盲文標示、9-PBG波導、IO-PBG波導。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的詳細說明。實施例如圖1所示，基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，包括上層硅圓片1、下層硅圓片2和主體部分6 ;上層硅圓片I刻蝕有定位槽7和盲文標示8 ;如圖2所示，主體部分6包括由PBG結構和波導腔4，PBG結構由硅柱5組成，硅柱5之間填充有空氣；PBG結構位于波導腔4的腔體內；所述的硅柱5的表面濺射有金層，金層的厚度為200nm ；如圖2所示，在PBG結構中引入了線缺陷和點缺陷，線缺陷形成PBG波導9、10，位于波導腔4的腔體內左右兩側，多個點缺陷形成中間三個諧振腔結構3 ；濾波器可外接WRl.9 (483 μ mX 241 μ m)或 WR2.2 (560 μ mX 280 μ m)標準金屬波導。濾波器中諧振腔結構3的大小通過缺陷結構的設計和硅柱5尺寸的改變來控制，調節諧振腔結構3的參數可以控制濾波器的中心頻率；濾波器中晶格常數a=120 μ m，硅柱5直徑d=48 μ m, PBG波導9、10端口的寬度w=483 μ m, PBG波導9、10端口的高度為241 μ m ;三個諧振腔結構3的半徑均為R=357 μ m，三個諧振腔結構3的徑向間距均為al=120 μ m ；濾波器采用上層硅圓片I和下層硅圓片2為材料進行加工；上層硅圓片I和下層硅圓片2的基片厚度為400 μ m。結合圖1和圖3，濾波器在硅圓片上的具體加工流程如下:(A)選取一個雙面拋光<110>S0I下層硅圓片2，雙面熱生長氧化層，光刻形成刻蝕的THz波段EMXT腔體濾波器圖形窗口。 (B) ICP干法深槽刻蝕，形成側壁垂直的硅槽，未刻蝕的部分為THz波段EMXT腔體濾波器PBG結構中的硅柱。利用濕法腐蝕拋光刻蝕腔體，減少腔體的表面粗糙度。(C)利用濺射和電鍍工藝完成下層硅圓片2的硅槽側面、底部以及硅柱的金屬化，準備鍵合。(D)選取另一個雙面拋光<110>S0I上層娃圓片I派射金層,使娃圓片表面金屬化。(E)對上層硅圓片I和下層硅圓片2進行精確對位后，利用金-金熱壓鍵合技術，將兩個硅圓片鍵合在一起，并通過劃片得到每一個獨立的濾波器如圖3所示。由圖1可以看出，在器件的加工中，采用了多種方式保證工藝實現的可行性:為消除上、下兩個硅圓片金-金熱壓鍵合時對位誤差的影響，采用了一片腐蝕，另一片不腐蝕的組合，同時可減小四壁的粗糙度從而減小插損；金濺射工藝可以實現硅片表面的金屬化；金-金熱壓鍵合形成封閉的波導和腔體結構；在上層硅片刻蝕出定位槽7，以配合器件的安裝；同樣在上層娃片刻蝕出盲文標不8對娃圓片上的器件作區分,主體部分6的參數如表I所示:表I為0.5THz窄帶濾波器中主體部分6的參數
權利要求
1.基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，其特征在于:包括上層硅圓片、下層硅圓片和主體部分；上層硅圓片有定位槽和盲文標示；主體部分包括PBG結構和波導腔，PBG結構由娃柱組成，娃柱之間填充有空氣；PBG結構位于波導腔的腔體內；所述的娃柱的表面派射有金層； 在PBG結構中引入了線缺陷和點缺陷，線缺陷形成PBG波導，位于波導腔的腔體內左右兩側，點缺陷形成中間三個諧振腔結構； 濾波器采用上層硅圓片和下層硅圓片進行加工。
2.根據權利要求1所述的基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，其特征在于:硅柱的表面濺射的金層厚度為200nm。
3.根據權利要求1所述的基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，其特征在于:PBG結構中晶格常數a=120ym，硅柱直徑d = 48μπι，PBG波導端口的寬度w=483 μ m，PBG波導端口的高度為241 μ m;諧振腔結構的半徑為R=357ym，腔體的徑向間距al = 120 μ m。
4.根據權利要求1所述的基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，其特征在于:上娃圓片和下娃圓片的基片厚度為400 μ m。
全文摘要
本發明涉及一種基于MEMS工藝THz波段EMXT腔體濾波器，適用于太赫茲波段，屬于太赫茲技術領域。包括上層硅圓片、下層硅圓片和主體部分；上層硅圓片有定位槽和盲文標示；主體部分包括PBG結構和波導腔，PBG結構由硅柱組成，硅柱之間填充有空氣；PBG結構位于波導腔的腔體內；所述的硅柱的表面濺射有金層；在PBG結構中引入了線缺陷和點缺陷，線缺陷形成PBG波導，位于波導腔的腔體內左右兩側，點缺陷形成中間三個諧振腔結構；濾波器采用上層硅圓片和下層硅圓片進行加工。
文檔編號H01P1/208GK103107394SQ20121058043
公開日2013年5月15日 申請日期2012年12月27日 優先權日2012年12月27日
發明者劉埇, 司黎明, 周凱, 鄭超, 盧宏達, 朱思衡 申請人:北京理工大學