專利名稱：基于諧振原理工作的mems濾波器模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于諧振原理工作的MEMS(微機械電子系統(tǒng))濾波器模塊，該濾波 器包括MEMS濾波器芯片和相關(guān)電路芯片。其中MEMS濾波器芯片實現(xiàn)濾波功能，由諧振器 陣列通過耦合結(jié)構(gòu)連接形成，采用MEMS技術(shù)制造，相關(guān)電路芯片實現(xiàn)信號的輸入、輸出和 穩(wěn)定功能，采用集成電路制造工藝制造。MEMS濾波器芯片和電路芯片粘接一起混合封裝。
背景技術(shù)：
隨著移動通信領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，通信系統(tǒng)逐漸向小型化、低功耗、低成本的方向發(fā) 展。無線接收機是通信系統(tǒng)的重要組成部分，為了滿足其高選擇性窄帶濾波的要求，無線接 收機的前端使用了大量的片外高Q值分立元件，其中包括455kHz-254MHz的IF濾波器，常 用的元件多為陶瓷濾波器和聲表面波(SAW)濾波器。為了減少無線接收機的價格和尺寸， 通常采用的方法是減少片外高Q值無源元件的使用數(shù)量，作為彌補要大大增加可集成電路 的復(fù)雜性，如增加具有更高動態(tài)范圍的ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換電路)，無疑提高了電源的消耗。實現(xiàn) 單片式無線接收機是移動通信技術(shù)進一步發(fā)展的方向，采用與IC工藝兼容的MEMS技術(shù)制 造出性能指標達到并超過現(xiàn)有分立元件的新型RF MEMS (微機電系統(tǒng))和NEMS元件，并將 其應(yīng)用到無線接收機中具有非常重要的意義。在移動通信系統(tǒng)中應(yīng)用MEMS技術(shù)，最重要的 目標不是在于分立MEMS元件的應(yīng)用，而是最終實現(xiàn)系統(tǒng)級的應(yīng)用，即MEMS技術(shù)與IC工藝 結(jié)合制造出具有高選擇特性的新型結(jié)構(gòu)的無線接收機，減少整個系統(tǒng)的復(fù)雜性，從本質(zhì)上 減少電源的消耗，且進一步提高接收機的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于諧振原理工作的MEMS (微機械電子系統(tǒng))濾波 器模塊，其具有體積小、成本低、制作工藝與集成電路制造工藝兼容、高可靠性、低功耗的優(yōu)
點ο本發(fā)明提供一種基于諧振原理工作的MEMS濾波器模塊，包括一差分信號產(chǎn)生電路，該差分信號產(chǎn)生電路的一端為信號輸入端，另一端為信號 輸出端，作用是把輸入信號轉(zhuǎn)換為同頻反相的兩路信號，提供給MEMS濾波器芯片作為工作 電壓；一 MEMS濾波器芯片，該MEMS濾波器芯片的第一輸入端a與差分信號產(chǎn)生電路的 輸出端連接，接收差分信號產(chǎn)生電路輸出的兩路同頻反相信號，并對其進行濾波處理，選擇 輸出相應(yīng)頻帶內(nèi)的信號；—電壓轉(zhuǎn)換電路，該電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與該MEMS濾波器芯片的第二輸入端b 連接，作用是將外界輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為MEMS濾波器芯片達到靜電諧振工作狀態(tài)需要 的直流偏壓；一互阻放大電路，該互阻放大電路的輸入端與MEMS濾波器芯片的輸出端b連接， 把MEMS濾波器芯片的輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；
一頻率漂移檢測電路，該頻率漂移檢測電路的輸入端與互阻放大電路的輸出端連 接，用于檢測互阻放大電路的輸出信號的頻率漂移情況，當輸出信號的頻率發(fā)生漂移時，輸 出預(yù)警信號；一頻率穩(wěn)定電路，該頻率穩(wěn)定電路的輸入端與頻率漂移檢測電路的輸出端連接， 該頻率穩(wěn)定電路輸出端與MEMS濾波器芯片的第三輸入端c連接，當互阻放大電路的輸出信 號的頻率發(fā)生漂移時，提供相應(yīng)的直流電壓信號給濾波器芯片，使濾波器模塊的輸出信號 的頻率保持穩(wěn)定。其中所述濾波器芯片基于靜電諧振原理工作，諧振模式包括橫向諧振模式、縱向 諧振模式或徑向諧振模式。其中所述濾波器芯片的工作頻率由濾波器芯片內(nèi)部的諧振器結(jié)構(gòu)決定，頻率范圍 在lkHz-5GHz，工作帶寬由濾波器芯片內(nèi)部的耦合結(jié)構(gòu)決定，工作帶寬為lkHz-lOOMHz。其中所述濾波器芯片的襯底材料包括硅、藍寶石、碳化硅、氮化鎵、砷化鎵或石英 玻璃。其中所述濾波器芯片的品質(zhì)因數(shù)由工作壓強決定。


為進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容及特點，以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作一詳細的 描述，其中圖1是本發(fā)明實施例的濾波器模塊的結(jié)構(gòu)的原理框圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種基于諧振原理工作的MEMS濾波器模塊，包括一差分信號產(chǎn)生電路12，該差分信號產(chǎn)生電路12的一端為信號輸入端，另一端 為信號輸出端，與MEMS濾波器芯片16的第一輸入端a連接，作用是把輸入信號轉(zhuǎn)換為 同頻反相的兩路信號，提供給MEMS濾波器芯片16作為工作電壓；所述MEMS濾波器芯片 16基于靜電諧振原理工作，諧振模式包括橫向諧振模式、縱向諧振模式或徑向諧振模式； 所述MEMS濾波器芯片16的工作頻率由MEMS濾波器芯片16內(nèi)部的諧振器結(jié)構(gòu)決定，頻 率范圍在lkHz-5GHz，工作帶寬由MEMS濾波器芯片16內(nèi)部的耦合結(jié)構(gòu)決定，工作帶寬為 IkHz-IOOMHz ；所述MEMS濾波器芯片16的襯底材料包括硅、藍寶石、碳化硅、氮化鎵、砷化鎵 或石英玻璃；所述MEMS濾波器芯片16的品質(zhì)因數(shù)由工作壓強決定。一 MEMS濾波器芯片16，該MEMS濾波器芯片16的第一輸入端a與差分信號產(chǎn)生電 路12的輸出端連接，接收差分信號產(chǎn)生電路輸出的兩路同頻反相信號，并對其進行濾波處 理，選擇輸出相應(yīng)頻帶的信號；一電壓轉(zhuǎn)換電路11，該電壓轉(zhuǎn)換電路11的輸出端與該MEMS濾波器芯片16的第二 輸入端b連接，作用是將外界輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為MEMS濾波器芯片16達到靜電諧振工 作狀態(tài)需要的直流偏壓；一互阻放大電路13，該互阻放大電路13的輸入端與MEMS濾波器芯片16的輸出端 b連接，把MEMS濾波器芯片16的輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；一頻率漂移檢測電路14，該頻率漂移檢測電路14的輸入端與互阻放大電路13的
4輸出端連接，用于檢測互阻放大電路13的輸出信號的頻率漂移情況，當輸出信號的頻率發(fā) 生漂移時，輸出預(yù)警信號；一頻率穩(wěn)定電路15，該頻率穩(wěn)定電路15的輸入端與頻率漂移檢測電路14的輸出 端連接，該頻率穩(wěn)定電路15輸出端與MEMS濾波器芯片16的第三輸入端c連接，當互阻放 大電路13的輸出信號的頻率發(fā)生漂移時，提供相應(yīng)的直流電壓信號給MEMS濾波器芯片16， 使濾波器模塊的輸出信號的頻率保持穩(wěn)定。圖1是說明本發(fā)明實施例的濾波器模塊的結(jié)構(gòu)的原理框圖。在圖示情況下，該濾 波器包括MEMS濾波器芯片16和相關(guān)電路芯片11、12、13、14和15。其中MEMS濾波器芯片 16是模塊的核心元件，基于諧振原理實現(xiàn)電學(xué)信號的濾波功能，通常由諧振器通過耦合結(jié) 構(gòu)連接形成，采用MEMS技術(shù)制造。相關(guān)電路芯片包括5個部分，電壓轉(zhuǎn)換電路11，差分信 號產(chǎn)生電路12，互阻放大電路13，頻率漂移檢測電路14和頻率穩(wěn)定電路15，實現(xiàn)信號的輸 入、輸出和頻率穩(wěn)定功能，采用集成電路制造工藝制造。MEMS濾波器芯片16和電路芯片11、 12、13、14和15粘接一起混合封裝。MEMS濾波器芯片16由耦合梁連接兩個或多個諧振器組合而成，諧振器結(jié)構(gòu)為兩 端固支梁結(jié)構(gòu)、單端固支梁結(jié)構(gòu)、自由梁結(jié)構(gòu)、圓盤結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)或梳齒狀結(jié)構(gòu)，諧振模式 包括橫向諧振模式、縱向諧振模式或徑向諧振模式。器件的中心頻率為諧振器的頻率，由諧 振器的結(jié)構(gòu)尺寸決定，帶寬由耦合梁的結(jié)構(gòu)尺寸決定。MEMS濾波器芯片16為靜電感應(yīng)激勵 諧振方式。在輸出端，諧振結(jié)構(gòu)和固定極板形成一個可變電容，在靜電力作用下，諧振結(jié)構(gòu) 發(fā)生振動，引起輸出電容值發(fā)生變化，變化的電容在直流電壓的作用下會產(chǎn)生一個電流信 號，從而可以把機械振動信號轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號。當輸入端的交流電學(xué)信號的頻率達到MEMS 濾波器芯片16的諧振頻率時，MEMS濾波器芯片16的諧振結(jié)構(gòu)發(fā)生諧振，諧振時振動的振 幅最大，在輸出端，輸出電流信號明顯增大。MEMS濾波器芯片16具有多階諧振模式，其一階 諧振模式和二階諧振模式下振動幅度較大，通過調(diào)整MEMS濾波器芯片16輸入輸出端的電 阻值，可以使MEMS濾波器芯片16在介于一階諧振頻率和二階諧振頻率之間的頻點電壓作 用下也發(fā)生幅值較大的振動。最終，在MEMS濾波器芯片16的輸出端，可以得到一個有效的 濾波信號，通頻帶介于MEMS濾波器16的一階諧振頻率和二階諧振頻率之間，從而以機械諧 振的方式實現(xiàn)電學(xué)信號的濾波功能。電壓轉(zhuǎn)換電路11，作用是將直流電壓轉(zhuǎn)換為激勵MEMS濾波器芯片16靜電諧振工 作需要的直流偏壓。集成電路IC通常在固定的直流偏置下工作，如3V、5V、10V，因此，所述 濾波器模塊的供電直流電壓為固定值，由相關(guān)電路芯片11、12、13、14、15的工作電壓決定。 而MEMS濾波器芯片16需要相對較高的直流電壓才能達到諧振工作狀態(tài)。電壓轉(zhuǎn)換電路11 是一個升壓模塊，把外界提供的直流電壓升到MEMS濾波器芯片16實現(xiàn)諧振工作的電壓值。差分信號產(chǎn)生電路12，作用是把輸入信號轉(zhuǎn)換為同頻反相的兩路信號，提供給 MEMS濾波器芯片16作為交流激勵工作電壓。由于寄生信號和穿通信號的影響，MEMS濾波器 芯片16的輸出信號提取工作比較困難，為了有效解決這個問題，需要采用差分的方法。當 MEMS濾波器芯片16輸入兩路同頻反相的兩路信號時，由固定電容產(chǎn)生的寄生信號和穿通 信號，因為等幅同頻反相可以相互抵消，輸出信號中僅保留下有效的諧振濾波信號供提取?；プ璺糯箅娐?3，作用是把MEMS濾波器16的輸出信號由電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信 號。MEMS濾波器芯片16的輸出信號極小，為nA量級，必須轉(zhuǎn)換成mV級的電流信號才有實用價值?；プ璺糯箅娐?3，必須是高輸入阻抗、低噪聲和寬頻帶高頻放大器。頻率漂移檢測電路14，作用是實時檢測MEMS濾波器16的輸出信號頻率漂移情況。 MEMS濾波器16是微機械結(jié)構(gòu)，其諧振頻率由結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性決定，因此在外界環(huán)境發(fā) 生變化時，頻率會發(fā)生漂移。如外界溫度升高時，MEMS濾波器16的結(jié)構(gòu)材料的楊氏模量增 加，諧振頻率會增加。頻率漂移檢測電路14可以實時檢測互阻放大電路13的輸出信號頻 率漂移情況，在輸出信號的頻率發(fā)生漂移的情況下，輸出預(yù)警信號給頻率穩(wěn)定電路15，頻率 漂移檢測電路14包括信號頻率檢測單元、計數(shù)器單元和頻率誤差輸出單元。頻率穩(wěn)定電路15，作用是根據(jù)頻率漂移檢測電路14的輸出信號，及時輸出相應(yīng)的 電壓信號給MEMS濾波器芯片16，以穩(wěn)定濾波器頻率。MEMS濾波器16的諧振頻率除了跟外 界環(huán)境有關(guān)以外，受直流偏置電壓影響較大，因此可以通過調(diào)節(jié)直流偏置電壓來及時調(diào)整 MEMS濾波器芯片16的諧振頻率。頻率穩(wěn)定電路15，在收到頻率漂移檢測電路14的輸出信 號后，進行分析，如果是頻率已經(jīng)發(fā)生漂移的預(yù)警信號，則需要根據(jù)預(yù)警信號的信息，及時 輸出一個調(diào)節(jié)用直流偏置電壓給MEMS濾波器芯片16，及時調(diào)整MEMS濾波器16的諧振頻 率。使MEMS濾波器16在外界情況發(fā)生變化的情況下，輸出信號頻率保持穩(wěn)定。電壓轉(zhuǎn)換電路11，差分信號產(chǎn)生電路12，互阻放大電路13，頻率漂移檢測電路14 和頻率穩(wěn)定電路15，集成在同一個硅片上，采用集成電路制造工藝制造。雖然已參照具體實施例的結(jié)構(gòu)原理框圖進一步詳細描述了本發(fā)明基于諧振原理 工作的MEMS (微機械電子系統(tǒng))濾波器模塊的結(jié)構(gòu)情況，但這些描述僅是說明性和示例性 的，并非對本發(fā)明的限制。對于那些熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言應(yīng)能理解，可對其形式和細 節(jié)作出多種可能的改型和變化，而不脫離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種基于諧振原理工作的MEMS濾波器模塊，包括一差分信號產(chǎn)生電路，該差分信號產(chǎn)生電路的一端為信號輸入端，另一端為信號輸出端，作用是把輸入信號轉(zhuǎn)換為同頻反相的兩路信號，提供給MEMS濾波器芯片作為工作電壓；一MEMS濾波器芯片，該MEMS濾波器芯片的第一輸入端a與差分信號產(chǎn)生電路的輸出端連接，接收差分信號產(chǎn)生電路輸出的兩路同頻反相信號，并對其進行濾波處理，選擇輸出相應(yīng)頻帶內(nèi)的信號；一電壓轉(zhuǎn)換電路，該電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與該MEMS濾波器芯片的第二輸入端b連接，作用是將外界輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換為MEMS濾波器芯片達到靜電諧振工作狀態(tài)需要的直流偏壓；一互阻放大電路，該互阻放大電路的輸入端與MEMS濾波器芯片的輸出端b連接，把MEMS濾波器芯片的輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；一頻率漂移檢測電路，該頻率漂移檢測電路的輸入端與互阻放大電路的輸出端連接，用于檢測互阻放大電路的輸出信號的頻率漂移情況，當輸出信號的頻率發(fā)生漂移時，輸出預(yù)警信號；一頻率穩(wěn)定電路，該頻率穩(wěn)定電路的輸入端與頻率漂移檢測電路的輸出端連接，該頻率穩(wěn)定電路輸出端與MEMS濾波器芯片的第三輸入端c連接，當互阻放大電路的輸出信號的頻率發(fā)生漂移時，提供相應(yīng)的直流電壓信號給濾波器芯片，使濾波器模塊的輸出信號的頻率保持穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于諧振原理工作的MEMS濾波器模塊，其中所述濾波器芯片 基于靜電諧振原理工作，諧振模式包括橫向諧振模式、縱向諧振模式或徑向諧振模式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于諧振原理工作的MEMS濾波器模塊，其中所述濾波器芯片 的工作頻率由濾波器芯片內(nèi)部的諧振器結(jié)構(gòu)決定，頻率范圍在lkHz-5GHz，工作帶寬由濾波 器芯片內(nèi)部的耦合結(jié)構(gòu)決定，工作帶寬為lkHz-lOOMHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于諧振原理工作的MEMS濾波器模塊，其中所述濾波器芯片 的襯底材料包括硅、藍寶石、碳化硅、氮化鎵、砷化鎵或石英玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于諧振原理工作的MEMS濾波器模塊，其中所述濾波器芯片 的品質(zhì)因數(shù)由工作壓強決定。
全文摘要
一種基于諧振原理工作的MEMS濾波器模塊，包括一差分信號產(chǎn)生電路；一MEMS濾波器芯片的第一輸入端a與差分信號產(chǎn)生電路的輸出端連接；一電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端與該MEMS濾波器芯片的第二輸入端b連接；一互阻放大電路的輸入端與MEMS濾波器芯片的輸出端b連接；一頻率漂移檢測電路的輸入端與互阻放大電路的輸出端連接；一頻率穩(wěn)定電路的輸入端與頻率漂移檢測電路的輸出端連接，該頻率穩(wěn)定電路輸出端與MEMS濾波器芯片的第三輸入端c連接，當互阻放大電路的輸出信號的頻率發(fā)生漂移時，提供相應(yīng)的直流電壓信號給濾波器芯片，使濾波器模塊的輸出信號的頻率保持穩(wěn)定。
文檔編號H03H9/24GK101984557SQ20101053460
公開日2011年3月9日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者寧瑾, 李永梅, 楊富華, 韓國威 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所