本發(fā)明涉及一種微機(jī)械mems濾波器結(jié)構(gòu)，屬于射頻通信及微機(jī)電系統(tǒng)(mems)技術(shù)領(lǐng)域中的元器件技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種由兩個完全相同的電容式橢圓盤形諧振器耦合的微機(jī)械帶通濾波器。

背景技術(shù)：

mems即微機(jī)電系統(tǒng)(microelectromechanicalsystems)的簡稱,它結(jié)合了機(jī)械與電氣的雙重特性,將微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)相互融合,用于開發(fā)具有小型化、智能化的產(chǎn)品,是微電子技術(shù)應(yīng)用的又一次革命。用于射頻通信領(lǐng)域的rf-mems微機(jī)械濾波器,是一種采用mems技術(shù)制作,基于機(jī)械振動的固有諧振頻率進(jìn)行選頻的特種濾波器,將傳感器、執(zhí)行器、電子線路等一些電子元件組合成一個系統(tǒng),把接收到的輸入電信號通過機(jī)電耦合轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動,在機(jī)械部分完成濾波功能后,再將機(jī)械信號轉(zhuǎn)換回電信號輸出給后續(xù)模塊使用。不但具有體積小,重量輕,性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)外,還能與電路元件集成,具有非常好的頻率選擇特性。因而射頻微機(jī)電濾波器具有很高科研價值和研究意義。

隨著通信行業(yè)的迅猛發(fā)展,可集成化和小型化成為射頻通信系統(tǒng)中的重要發(fā)展趨勢,傳統(tǒng)濾波器雖然性能優(yōu)異,但體積和重量實(shí)在龐大,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。按所采取的換能方式來分,微機(jī)械諧振器可以分為:電容式、壓電式、熱轉(zhuǎn)換式和電磁式四種。其中前兩種是最適用于高頻。壓電式諧振器機(jī)電具有較小的運(yùn)動阻抗,易于射頻電路匹配,但壓電驅(qū)動方式在驅(qū)動時需要利用材料的壓電特性,頻率的穩(wěn)定性和重復(fù)性較低,且對壓電材料也有要求,增加了工藝的復(fù)雜性。而目前對電容式的濾波器的研究中,多是采用梁結(jié)構(gòu),因此對于碟型電容式濾波器需要進(jìn)一步的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對背景技術(shù)所存在的不足,設(shè)計(jì)了一種電容式雙橢圓盤諧振器耦合的微機(jī)械帶通濾波器,采用電容換能方式,通過機(jī)械彈性耦合梁兩端連接諧振器構(gòu)成濾波器,結(jié)構(gòu)簡單,降低加工工藝難度,實(shí)現(xiàn)中心工作頻率，帶寬可調(diào)節(jié)的帶通濾波器。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:

本發(fā)明包括機(jī)械部分和電氣部分。機(jī)械部分結(jié)構(gòu)對稱,包括兩塊尺寸完全相同的振動橢圓盤、耦合梁、輸入電極、輸出電極、兩個尺寸完全相同的橢圓盤錨點(diǎn)及絕緣底層；電氣部分包括交流電壓源、輸入端電阻、負(fù)載電阻、地。兩塊振動橢圓盤通過設(shè)置在橢圓盤長軸外連接處的耦合梁連接，輸入輸出電極分別圍繞在兩塊振動橢圓盤周圍，構(gòu)成電容換能式諧振器。

進(jìn)一步的，振動橢圓盤、錨點(diǎn)、電極和耦合梁由多晶硅制成；錨點(diǎn)下底面連接基片，上底面連接橢圓盤下底面使其懸空在基片上，錨點(diǎn)上引入偏置電壓焊點(diǎn)并連接到封裝管殼引腳上，并接入一定值的直流偏置電壓。

進(jìn)一步的，橢圓盤、耦合梁厚度一致，即它們的結(jié)構(gòu)位于同一層；輸入電極上方引入交流電壓焊點(diǎn)連接到封裝管殼引腳上，并接入交流電壓；輸出電極上方引入交流電流焊點(diǎn)連接到封裝管殼引腳上，會有相應(yīng)的電流信號流出，并通過負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號。

進(jìn)一步的，橢圓盤和電極間留有狹小的縫隙，在輸入電極上加載交流電壓，可以對振動橢圓盤產(chǎn)生一定的水平方向上的靜電推挽力，該推挽力會使諧振塊處于擴(kuò)張或收縮狀態(tài)，使橢圓盤做類似于呼吸狀振動?？p隙的寬度要保證橢圓盤擴(kuò)張位移最大時不能與電極觸碰。

進(jìn)一步的，設(shè)計(jì)耦合梁的長度滿足λ/4的整數(shù)倍，使橢圓盤擁有同相和反相兩種振動模態(tài),并且能量傳輸損失最小。

還需要說明的是，諧振器決定了濾波器的中心頻率，連接的耦合梁剛度決定了濾波器的帶寬。錨點(diǎn)固定的橢圓盤諧振器結(jié)構(gòu)基于諧振原理在某個頻率處會發(fā)生諧振，而耦合梁的存在擴(kuò)大了諧振器組的工作頻率，使兩個橢圓盤諧振器能量耦合,合成具有同相和反相兩種振動模式的耦合系統(tǒng)。同向時，系統(tǒng)諧振頻率最高，反相時，系統(tǒng)諧振頻率最低。當(dāng)輸入信號的頻率位于這兩個諧振頻率值之間時，諧振器均處于諧振狀態(tài)，輸出端諧振器的電容發(fā)生較大幅值的改變，在偏置電壓的作用下，會有相應(yīng)的電流信號輸出。通過上述電-機(jī)械-電信號的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對輸入信號的選頻作用。

本發(fā)明采用兩個完全相同的橢圓盤式諧振器通過耦合梁耦合而構(gòu)成一種電容式微機(jī)械帶通濾波器，體積重量小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。濾波器帶寬可通過調(diào)節(jié)耦合梁改變；濾波器工作中心頻率可通過調(diào)節(jié)橢圓盤與電極間的間隙或橢圓盤的尺寸改變。材料采用多晶硅,器件具有優(yōu)良的機(jī)械電氣性能。另外mems工藝與ic工藝相似,可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的批量化生產(chǎn),降低生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明濾波器電路加機(jī)械整體示意圖（俯視圖）；

圖2是圖1中橢圓盤結(jié)構(gòu)左視圖。

圖中1.1、1.2:振動橢圓盤,2.1:輸入電極,2.2:輸出電極,3.1:輸入電極-橢圓盤間隙,3.2:輸出電極-橢圓盤間隙,4.1:交流電壓焊點(diǎn),4.2:交流電流焊點(diǎn),5.1、5.2:偏置電壓焊點(diǎn),6.1、6.2:橢圓盤錨點(diǎn),7:連接耦合梁,8:輸入電阻,9:負(fù)載電阻,10:交流電壓信號,11.1、11.2、11.3:金屬連接走線,12.1、12.2:地,13:輸出端口,14:基片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

在圖1中，振動橢圓盤1.1和1.2懸空在基片14上，其底面中心處的橢圓盤錨點(diǎn)6.1、6.2支撐使其與基片14隔離。振動橢圓盤1.1周圍環(huán)繞著輸入電極2.1，橢圓盤1.2周圍環(huán)繞著輸出電極2.2。3.1是輸入電極和橢圓盤之間的間隔,3.2是輸出電極和橢圓盤之間的間隔。耦合梁7連接橢圓盤1.1和1.2。輸入電極2.1上方引入交流電壓焊點(diǎn)4.1，交流電壓信號10一端接地12.1，另一端通過金屬導(dǎo)線11.1連接輸入電阻8,電阻8另一端通過金屬導(dǎo)線11.2連接到交流焊點(diǎn)4.1；輸出電極2.2上方引入交流電流焊點(diǎn)4.2，負(fù)載電阻9一端接地12.2，另一端通過金屬導(dǎo)線11.3連接到輸出交流焊點(diǎn)4.2,轉(zhuǎn)換輸出電流為輸出電壓信號到輸出端口13。

在圖2中，橢圓柱錨6.1和6.2上底面連接橢圓盤1.1和1.2，下底面連接基底14;輸入電極2.1和輸出電極2.2下底面連接基片14,橢圓盤1.1、1.2的高度與連接耦合梁7的高度相同,橢圓盤1.1和1.2上方設(shè)置偏置電壓焊點(diǎn)5.1和5.2,并用金線連接到封裝管殼引腳上。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以上實(shí)施例僅是用來驗(yàn)證本發(fā)明，而并非作為對本發(fā)明的限定，只要是在本發(fā)明的范圍內(nèi)，對以上實(shí)施例的變化、變形都將落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種電容式雙橢圓盤的微機(jī)械帶通濾波器，本發(fā)明包括機(jī)械部分和電氣部分。機(jī)械部分結(jié)構(gòu)對稱,包括兩塊尺寸完全相同的振動橢圓盤、耦合梁、輸入電極、輸出電極、兩個尺寸完全相同的橢圓盤錨點(diǎn)及絕緣底層；電氣部分包括交流電壓源、輸入端電阻、負(fù)載電阻、地。兩塊振動橢圓盤通過設(shè)置在橢圓盤長軸外連接處的耦合梁連接，輸入輸出電極分別圍繞在兩塊振動橢圓盤周圍，構(gòu)成電容換能式諧振器。本發(fā)明采用兩個完全相同的橢圓盤式諧振器通過耦合梁耦合而構(gòu)成一種電容式微機(jī)械帶通濾波器，體積重量小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短。濾波器帶寬可通過調(diào)節(jié)耦合梁改變；濾波器工作中心頻率可通過調(diào)節(jié)橢圓盤與電極間的間隙或橢圓盤的尺寸改變。

技術(shù)研發(fā)人員：任靈
受保護(hù)的技術(shù)使用者：杭州電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.06.14
技術(shù)公布日：2017.10.13