濾波器作為一種選頻元件，用來(lái)抑制噪聲、選擇或限定RF/微波信號(hào)的頻段范圍，在許多RF/微波應(yīng)用中起著重要的作用。傳統(tǒng)的濾波器體積大、制造成 本高并且不容易與單片集成電路集成，在毫米波頻段內(nèi)損耗大，而由微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)等領(lǐng)域交叉融合而產(chǎn)生的MEMS 技術(shù)，具有小型化、多樣化以及可集成化的特點(diǎn) 。

　　MEMS 技術(shù)與RF技術(shù)的結(jié)合，即RF MEMS 技術(shù)，為新一代獨(dú)特的、高性能濾波器的實(shí)現(xiàn)提供了新的機(jī)遇。目前人們將MEMS 技術(shù)運(yùn)用到RF/微波濾波器的設(shè)計(jì)制造中，得到了高性能、小尺寸、重量輕，并且成本低的MEMS 濾波器。MEMS RF/微波濾波器可以用集總元件設(shè)計(jì)也可以用分布元件設(shè)計(jì)，它們可以利用各種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，例如微帶線、波導(dǎo)腔、共面波導(dǎo)等。當(dāng)然，它們也可以由多種制造工藝 實(shí)現(xiàn)。

　　1、硅體微加工MEMS濾波器

　　硅體微加工技術(shù)是通過(guò)對(duì)襯底硅的腐蝕加工來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的立體結(jié)構(gòu)，并且常輔以Si-Si 晶片鍵合和Si-玻璃鍵合等手段。由于單晶硅有晶向的區(qū)分，可以用化學(xué)的方法（ 如用KOH） 實(shí)現(xiàn)很好的各向異性選擇性刻蝕，這是硅體微加工的基礎(chǔ)。硅體微加工技術(shù)可以方便地實(shí)現(xiàn)較大縱向尺寸的立體加工。基于硅體微加工技術(shù)，人們實(shí)現(xiàn)了多種 MEMS濾波器。

　　1.1、薄膜和微帶線濾波器

　　為了減小高頻段時(shí)來(lái)自于襯底的損耗，利用硅體微加工技術(shù)的乙二胺鄰苯二酚濕法刻蝕硅形成的腔體實(shí)現(xiàn)微帶線的懸空，S. V. Robertson 等人制作了W波段（ 94.7 GHz） 耦合線帶通濾波器。濾波器的幾何圖形被制作在一個(gè)由薄膜支撐的傳輸線上，如圖1所示，傳輸線就相當(dāng)于懸浮在空氣介質(zhì)中，介質(zhì)損耗幾乎可以被忽略，且能避免 遭受輻射和產(chǎn)生色散寄生效應(yīng)。該濾波器的通帶插損為3.6 dB，其中導(dǎo)體損耗是整個(gè)部件插損的主要組成部分。部件的相對(duì)帶寬為6.1%。與該技術(shù)類似，M. Chatras 等人在高阻硅襯底上實(shí)現(xiàn)了中心頻率為30 GHz 的高性能帶通薄膜濾波器。薄膜下的硅用四甲基氫氧化氨（ tetramethyl ammonium hydroxide，TMAH） 選擇性刻蝕。該濾波器插入損耗只有1.8 dB，并且易于集成到利用倒裝芯片技術(shù)的電路中。

　　圖1 W波段耦合帶通濾波器側(cè)視圖

　　1.2、微機(jī)械腔體諧振器和濾波器

　　利用硅體微加工得到的腔體做諧振腔，也可以實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)。

　　J. Papapolymerou 等人提出的X 波段腔體諧振器，由輸入輸出微帶線和微機(jī)械腔體組成，空腔通過(guò)兩個(gè)狹縫耦合到兩個(gè)微帶線上（ 圖2 （a）） 。兩個(gè)微帶線利用淀積7.5 μm 厚的金以減小損耗；腔體金屬化層的厚度為2 μm。與其他傳統(tǒng)的金屬矩形、圓形波導(dǎo)諧振器相比，該諧振器尺寸大大地減小，并有高的Q 值（ 無(wú)載Q=506，是傳統(tǒng)微帶濾波器的4 倍） 。

　　L. Harle 等人在硅上用狹縫耦合微機(jī)械腔實(shí)現(xiàn)了中心頻率為10 GHz 的帶通濾波器（ 圖2 （b）） 。模擬的帶寬為4%，插入損耗在10.2 GHz 時(shí)為0.9 dB。測(cè)得的濾波器的帶寬為3.7%，插入損耗在10.01 GHz 時(shí)為2 dB，損耗的差異取決于微帶傳輸線的過(guò)渡和線長(zhǎng)。濾波器的整體尺寸為5 cm×3 cm×2 600 μm。該濾波器的特點(diǎn)是低損耗、窄帶寬、小尺寸以及易于單片電路集成，并且由于表面電流分布于大的導(dǎo)體表面而有強(qiáng)的功率負(fù)載能力。

　　圖2 微機(jī)械腔體諧振器和濾波器

　　1.3、薄膜聲體波諧振器與濾波器

　　薄膜聲體波諧振器（ thin-film bulk acousticwave resonator，TFBAR） 的概念早在20 世紀(jì)60 年代就已出現(xiàn)，但其發(fā)展一直受制于微細(xì)加工工藝技術(shù)的水平。隨著MEMS 技術(shù)的興起及其加工工藝的進(jìn)步，使可靠、可重復(fù)地制備TFBAR 成為可能，同時(shí)也由于RF 前端模塊中通用的陶瓷或聲表面波（ surface acoustic-wave，SAW） 濾波器進(jìn)入GHz 頻段后隨著工作頻率的增加性能退化等原因，許多人開始研究開發(fā)基于TFBAR 的RF/微波濾波器。

　　薄膜聲體波濾波器通過(guò)壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)將電能量轉(zhuǎn)換成聲波形成諧振，在體積、功率負(fù)載等方面都比SAW濾波器具有優(yōu) 勢(shì)。K. Misu 等人用鈦酸鉛材料做壓電薄膜制作了體聲波濾波器，如圖3 所示。將部件的兩個(gè)電極設(shè)計(jì)成能被自由調(diào)整，在所需頻率上產(chǎn)生振蕩。兩個(gè)電極還起著反射器的作用，用以抵消無(wú)用聲波。采用硅體微加工工藝刻蝕去除下部的襯 底材料形成腔體，利用空氣-金屬界面得到聲體波的全反射，從而將聲體波限制在壓電薄膜和金屬電極內(nèi)。得到的濾波器整個(gè)部件的尺寸為0.69 mm×0.55 mm，在1.5 GHz 時(shí)的3 dB 帶寬為47 MHz。Y.D. Kim等人［8］利用以這種類似結(jié)構(gòu)為基本單元的一種階梯拓樸結(jié)構(gòu)研制出的濾波器，在5GHz 濾段插入損耗只有2.8 dB。

　　圖3 薄膜體聲波濾波器

　　對(duì)于硅體微加工工藝來(lái)講，硅的化學(xué)刻蝕由于依賴于晶向，使得器件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的進(jìn)一步縮小都受到了限制。另外，襯底硅的大量刻蝕也會(huì)降低器件的機(jī)械強(qiáng)度。

　　2、LIGA 平面?zhèn)鬏斁€和濾波器

　　LIGA 一詞來(lái)源于德語(yǔ)lithographie、galvanoformung和abformung 三個(gè)詞語(yǔ)的縮寫，表示深層光刻、電鍍、模鑄三種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。LIGA技術(shù)是實(shí)現(xiàn)MEMS 微加工的一個(gè)重要手段。它借鑒了平面IC 工藝中的光刻技術(shù)，但是它對(duì)材料加工的深寬比遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)IC 生產(chǎn)中的平面工藝和薄膜的亞微米光刻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高深寬比3D 微結(jié)構(gòu)，且加工的厚度也遠(yuǎn)大于平面工藝的典型值2 μm。該工藝是利用深層輻射X 射線光刻，在厚的光刻膠層上設(shè)定所要求的模型。由X 射線作為光刻的光源，它的波長(zhǎng)短，對(duì)光刻膠有較強(qiáng)的穿透力，能獲得高的分辨率和高的深寬比。利用LIGA技術(shù)，T. L. Willke 等人在石英襯底上設(shè)計(jì)制作了耦合線型帶通濾波器（ 圖4） 。其中，LIGA 傳輸線為200 μm 厚的鎳，有兩個(gè)開路端口的！/4 平行線部分用作耦合單元，耦合氣隙深寬比大于6.75。與傳統(tǒng)的薄金屬相比，LIGA 傳輸線和諧振器之間有更好的耦合系數(shù)。帶通濾波器在14.6 GHz 時(shí)有最小的插入損耗，為0.15 dB。

　　3、MEMS 可調(diào)濾波器

　　近年來(lái)由于微波、毫米波波段的多頻段、寬帶無(wú)線通信系 統(tǒng)的迫切需要，基于MEMS 技術(shù)的可調(diào)諧濾波器逐漸引起了人們很大關(guān)注。這種濾波器由MEMS 開關(guān)、共平面?zhèn)鬏斁€、可變電抗元件等構(gòu)成，它們具有低插入損耗，高線性度、高Q 值和更好的三階交調(diào)頻率點(diǎn)功率性能。根據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道，微波MEMS 可調(diào)諧濾波器按調(diào)諧方式可分為連續(xù)可調(diào)型和數(shù)字可調(diào)型兩類。

　　3.1、連續(xù)可調(diào)濾波器

　　模擬可調(diào)濾波器的調(diào)節(jié)范圍比較小，一般為5%～15%，其可調(diào)元件為MEMS 可變?nèi)菪栽?/p>

　　圖5 （a） 是H. T. Kim 等人用MEMS 技術(shù)設(shè)計(jì)和制作的兩種微型V 波段MEMS 模擬可調(diào)濾波器。濾波器在高頻段，用MEMS 技術(shù)把模擬集總可調(diào)濾波器模型與橋式金屬-空氣-金屬（ metal-air-metal，MAM） 電容結(jié)合以增強(qiáng)頻率可調(diào)，用石英來(lái)減小襯底損耗，用MAM電容來(lái)代替弱耦合從而減小高頻下的輻射損耗。兩種濾波器的中心頻率分別為50 GHz 和65 GHz，通過(guò)直流電壓控制可變電容的高度來(lái)調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率，其可調(diào)范圍為10%，插入損耗約為3.3 dB。濾波器的芯片尺寸分別只有780 μm×1 970 μm 和670 μm×1 900 μm。

　　A. Abbaspour-Tamijani 等人提出了一種MEMS高Q 橋式可調(diào)電容，在石英玻璃襯底上實(shí)現(xiàn)了一種小型可調(diào)三級(jí)帶通濾波器，如圖5 （b） 所示。其核心則是周期性加載的CPW 慢波調(diào)諧器結(jié)構(gòu)。N.S. Barker 等人［13］首先報(bào)道了這種分布式MEMS 傳輸線（DMTL） 結(jié)構(gòu)，即在共面波導(dǎo)傳輸線上周期性加載MEMS 電容式開關(guān)，實(shí)現(xiàn)相速和電長(zhǎng)度的改變。小型可調(diào)濾波器用CPW MEMS 慢波諧振器電感耦合得到，由于MEMS 橋的高Q 值，小型可調(diào)濾波器的中頻插入損耗主要由CPW 結(jié)構(gòu)的歐姆損耗和介質(zhì)損耗決定，與CPW 的標(biāo)準(zhǔn)帶通濾波器相比有更好的性能。通帶中心頻率從18.6 GHz 調(diào)節(jié)到21.44 GHz，帶寬為7.5%，插損約為4 dB，Δf 》150 kHz 時(shí)IIP3 優(yōu)于50 dBm。

　　圖5 模擬可調(diào)帶通濾波器

　　3.2、數(shù)字可調(diào)濾波器

　　數(shù)字型MEMS 可調(diào)濾波器相比于模擬型MEMS 可調(diào)濾波器，它的調(diào)節(jié)范圍比較大，性能也比較穩(wěn)定。數(shù)字可調(diào)型濾波器可以采用一個(gè)MEMS電容陣列，通過(guò)將大小不同的電容在濾波電路中分別接入和斷開，實(shí)現(xiàn)離散的中心頻率。

　　K. Entesari 等人利用MEMS 電容式開關(guān)和微帶線，在玻璃襯底上制作了小型化4 位數(shù)字可調(diào)濾波器（ 圖6） 。為了實(shí)現(xiàn)高的調(diào)諧分辨率，將電容式MEMS 開關(guān)與高Q 值MAM電容相串聯(lián)形成電容庫(kù)。器件在6.5~10 GHz 頻段實(shí)現(xiàn)了數(shù)字調(diào)諧，較多MEMS 開關(guān)的使用使得其濾波特性又接近于連續(xù)可調(diào)。在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)，濾波器的相對(duì)帶寬為（5.1±0.4） %，回波損耗優(yōu)于16 dB，插入損耗在9.8GHz、6.5 GHz 時(shí)分別為4.1 dB 和5.6 dB。濾波器的整體尺寸為5 mm×4 mm。

　　圖6 玻璃襯底上的6.5~10 GHz 頻段數(shù)字可調(diào)濾波器

　　利 用兩個(gè)λ/4 共面波導(dǎo)諧振器，E. Fourn 等人［15］還設(shè)計(jì)了一種兩階數(shù)字可調(diào)帶通濾波器。諧振器與終端開路的短截線間的可變串聯(lián)電容由懸臂梁式MEMS 開關(guān)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)懸臂梁被下拉的時(shí)候，由于諧振器的電容部分發(fā)生改變，諧振頻率也發(fā)生變化。MEMS 開關(guān)處于上拉狀態(tài)時(shí)，濾波器中心頻率是21.05 GHz，3 dB 帶寬為14%，插入損耗為3.5 dB；當(dāng)開關(guān)下拉時(shí)，中心頻率移到18.5 GHz，3 dB 帶寬為13%，插入損耗為3.8 dB。

　　以上MEMS 可調(diào)濾波器，由于僅用一種可變?nèi)菪噪娍乖?lái)達(dá)到頻率調(diào)諧的目的，可調(diào)電感無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)，也未能充分利用基于CPW周期性結(jié)構(gòu)的微波/毫米波的 慢波特性，因此其可調(diào)范圍有限。J. H. Park 等人報(bào)道了一種利用分形自相似結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的低損耗可重構(gòu)低通濾波器，將通帶頻段推向了毫米波段，它是通過(guò)同時(shí)利用可調(diào)電感和電容實(shí)現(xiàn)的。該濾波器 基于20 世紀(jì)80 年代美國(guó)科學(xué)家B. B. Mandelbrot 提出的分形理論，是一種按比例縮小/放大的自相似結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到多頻段上實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)濾波的目標(biāo)。圖7 是制作的利用可調(diào)電感和電容獲得的RF MEMS 可調(diào)低通濾波器。該濾波器采用單一驅(qū)動(dòng)的多觸點(diǎn)MEMS 開關(guān)實(shí)現(xiàn)濾波器重構(gòu)的控制，使總的開關(guān)數(shù)目得以減小，也有效地降低了器件的插入損耗，并使得器件的整體尺寸得以減小。制備的濾波器3 dB 截止頻率從67 GHz重構(gòu)到28 GHz。

　　圖7 分形可重構(gòu)低通MEMS 濾波器

　　另外，通過(guò)將傳輸線諧振器做成“U”形以減小器件尺寸，A. Ocera 等人制作了新穎的MEMS可調(diào)發(fā)夾線型濾波器，如圖8。該濾波器制作在525 μm 厚的高阻硅襯底上，通過(guò)10 個(gè)歐姆接觸式MEMS 懸臂梁開關(guān)給發(fā)夾型濾波器的諧振器U 型分支增加傳輸線長(zhǎng)度，來(lái)改變諧振器的開路短截線的長(zhǎng)度，從而得到濾波器諧振頻率的可調(diào)。濾波器在6.2 GHz 頻率上有15%的帶寬，并有著10%的調(diào)節(jié)范圍，插入損耗和回波損耗分別為4.5 dB 和17 dB。

　　圖8 MEMS 可調(diào)發(fā)夾型數(shù)字可調(diào)濾波器

　　除了上面的單刀單擲MEMS 開關(guān)實(shí)現(xiàn)的MEMS可調(diào)濾波器外，也有單刀多擲MEMS 開關(guān)實(shí)現(xiàn)的MEMS 可調(diào)濾波器的報(bào)道。I. C. Reines 等人利用單刀三擲開關(guān)設(shè)計(jì)了Ku 波段開關(guān)型可調(diào)帶通濾波器。濾波器可調(diào)中心頻率分別為14.9、16.2、17.8 GHz，在中間頻段插入損耗小于2 dB，帶寬約7.7%，三個(gè)頻段的回波損耗優(yōu)于10 dB。另外，為了適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境（ 例如要求高的隔離度） ，B. Pillans等人設(shè)計(jì)制作了級(jí)聯(lián)的低通和高通濾波單元，實(shí)現(xiàn)了中心頻率和帶寬均可調(diào)的帶通濾波器。濾波器在6~15 GHz 內(nèi)實(shí)現(xiàn)了可調(diào)，帶外衰減快（ 40 dB/GHz） ，隔離度大于50 dB。但它的插入損耗較大（ 4~11 dB） 。

　　4、結(jié)語(yǔ)

　　基于MEMS技術(shù)的濾波器是現(xiàn)在RF系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵MEMS 器件。借助于MEMS 加工技術(shù)的進(jìn)步及與射頻/微波技術(shù)的結(jié)合，MEMS 濾波器的研究得到了快速的發(fā)展。MEMS 濾波器從RF 到毫米波段有很高的Q值、插入損耗低、線性好，適應(yīng)現(xiàn)代日益復(fù)雜的RF 環(huán)境要求。其中，可調(diào)MEMS 濾波器的開發(fā)，有著更為迫切的現(xiàn)實(shí)意義，它有利于開發(fā)可調(diào)諧的收發(fā)模塊，以改善多信道收發(fā)系統(tǒng)的性能，從而為新一代無(wú)線通信系統(tǒng)的開發(fā)起著不可或缺的積極 作用。