第58卷第5期 2021年5月
撳鈉电子技术
Micronanoelectronic Technology
Vol. 58 No. 5
M a y 2021
〇〇I：1()_1325〇/j- cnki_ wndz- 2021. 05. 008
令M E M S与俜感象令
李志东，汪蔚，杨拥军，周嘉，翟晓飞
(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄050051)
摘要：设计并制备了一种X波段微电子机械系统（M E M S)环行隔离滤波芯片，该芯片以高阻硅作为
衬底材料，由2个M E M S环行器、1个薄膜匹配电阻以及1个M E M S滤波器四部分优化集成在一起，实现多功能芯片化。相比传统环行隔离器外接滤波器，其具有优良的电磁兼容及带外抑制能力，同时具有尺寸小、内部匹配好、易于调试装配等特点。基于M E M S环行器及M E M S滤波器的设计理论，结合三维电磁仿真软件，实现环行隔离滤波芯片的仿真设计。芯片 整体尺寸为10 m m X 1〇 m m X 2.5 m m，频率为8.5〜11.5G H z，带内回波损耗〉20 d B，收发通 道的带外抑制>25 d B@7 G H z&13 G H z。
关键词：微电子机械系统（M E M S)；环行器；隔离器；滤波器；多功能芯片
中图分类号：TN713; T H703文献标识码：A文章编号：1671-4776 (2021) 05-0416-05 X-Band MEMS Circulator-Isolator-Filter Chip
Li Zhidong, W a n g Wei, Yang Yongjun, Zhou Jia, Zhai Xiaofei
(The '3'h Research In stitu te，China Electronics Technology Group C orporation，
S h ijia zh u a n g050051, C hina)
Abstract：With high-resistance silicon as the substrate material, an X-band circulator-isolator-filter chip was designed and fabricated based on the micro-electromechanical system (M E M S) technolo
gy. The chip was optimally integrated by four parts, i. e.two M E M S circulators, a thin film matching resistor and a M E M S f i l t e r.The four components were designed on the same substrate to realize the multi-function chip. Compared with the external filter of the traditional circulator- isolator, the chip has advantages of excellent electromagnetic compatibility, out-of-band rejection, small size, better inner match, easy debugging and assembling, etc. Based on the design theories of the M E M S circulator and M E M S f i l t e r, the simulation and design of the circulator-isolator-filter chip was realized by the combination with 3D electromagnetic simulation software.
The overall size of the chip i s 10 m m X l〇 m m X 2.5 m m,the frequency i s 8. 5 _ 11. 5 G H z, the in-band return loss i s greater than 20 dB, and the out-of-band rejection of the transmitter-receiver channel i s over 25 d B@7 GHz&-13 GHz.
Keywords: micro-electromechanical system (M E M S)； circulator； isolator； filter； multi-function chip
E E A C C：1270； 2575
收稿日期：2020-10-14
E-mail：*********************
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李志东等：X波段M EM S环行隔离滤波芯片
0引百
随着有源相控阵的发展，收发（T/R)组件的 应用越来越广泛。环行隔离器在T/R组件中起天线 共用和级间隔离的作用，是T/R组件中不可缺少的 单元。T/R组件的小型化和高性能的发展需求，对 环形隔离器提出小型化、集成化、高带外抑制及良 好的电磁兼容性的要求。其中，为了提高带外抑制 和增强T/R组件的电磁兼容性，需要在环行隔离器 的输人输出端口级联具有相同带宽特性的滤波器。
但是，目前的环行隔离器和滤波器大都是相对 独立的分立器件，需要采用电装或微组装的方式进 行级联，这样不仅会使T/R组件整体尺寸增大，而且装配时会引人寄生电感，增加T/R组件调试 复杂度。为了解决此类问题，多功能集成化芯片应 运而生。2006年，M.V.Heijningen等人w基于 0.25 G a A s工艺研制了一款X波段8. 5〜 11.5G H z的多功能芯片，集成了移相器和衰减器等，尺寸为 5.0 mm X 4.0 mm;2015 年，J.C.Jeong等人[2]基于0• 5 pm G aAs工艺研制一款X波段8.5〜11.5 G H z的多功能芯片，集成了6 bit移相器和6 bit衰减器等，尺寸为5.5 m m X 4.0 m m;2020年，浙江大学周守利等人[3]设计并 研发了一款X波段宽带幅相多功能芯片，整个芯 片尺寸为5.0 m m X3. 5 m m。这种多功能芯片可显著减小T/R组件整体尺寸。
本文采用S i基微电子机械系统（M E M S)技 术，将硅基M E M S环行器、M E M S隔离器和M E M S滤波器等器件进行集成设计，实现环行、隔离、滤波多功能芯片，缩小芯片尺寸，提高各功 能器件的兼容性。满足系统向小型化、集成化和多 功能化发展要求的同时，兼顾带外抑制能力和电磁 兼容能力的提升，并且避免由于金丝压焊或锡焊引 人的阻抗不匹配现象，简化T/R组件的组装工艺，提髙可靠性。芯片整体尺寸为1〇mmX1()m m x 2. 5 mm，频率为8. 5〜11. 5 GHz，带内回波损耗>20d B，收发通道的带外抑制>25d B@
7 GHz&13GHz。
1芯片功能原理
本文通过仿真设计，实现了X波段8. 5〜11.5 G H z的M EM S环行隔离滤波芯片。该功能芯片由2个M EM S环行器、1个M E M S隔离器以及1个M E M S滤波器组成，其中环行器和隔离器的频率 为8〜12 GHz, M E M S滤波器的频率为8. 5〜11.5 GHz。整个芯片的尺寸为10 mm X 1〇mm X 2.5 m m，具有尺寸小、内部匹配好及易于调试装配 的特点，同时增强了射频前端的带外抗干扰能力。
图1为环行隔离滤波芯片结构示意图。如图1所示，P,、P2和P3正好对应T/R组件中的天线端、发射端及接收端。当微波信号从P，输人时，由于环行器的单向传输性，信号只能从P3输出；同理，当微波信号从已输人时，信号只能从P，输 出；而当微波信号从P3输人时，信号会被隔离负载吸收，对发射核反应堆的慢化剂
通道起隔离保护作用。在图1组件 中，MEMS滤波器的引人可以对发射通道（P2— P,)的发射信号进行滤波，只发射相对有用的信号 频率，对其他杂波进行滤除，增强发射信号的纯度；同样，对接收通道（P,—P3)的接收信号进行滤波，抑制接收信号外的其他频段，增强接收通 道的信号抗千扰能力。从系统应用和T/R组件的发展层面上看，这种集收发与滤波功能于一体的环 行隔离滤波芯片，可能成为下一代T/R组件的重要发展方向。
防漏杯盖P a P,
图1环行隔离滤波芯片结构示意图
Fig. 1Structure schematic of the circulator-isolator-filter chip
2 M E M S环行器的设计
本文设计的M EM S环行器为三端口Y结器 件，采用介电常数11.9的高阻硅作为衬底，高导 电率的金作为电路导体，利用三维立体M EM S加 工技术制作通孔，并通过金属化实现通孔接地。三 维立体M EM S工艺具有高精度立体刻蚀的特点，可以选择性地将部分硅介质去除，实现空气腔体结
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抑制>25 dB@7 GHz&13 G H z ，满足本文设计要 求。器件结构仿真模型及仿真结果如图3所示。
-
C
C /?
ci
6
8 10 12 14
Frequency/GHz
(b )仿真结果
图3
MEMS 滤波器仿真模型及结果
Fig. 3 Simulation model and results of the MEMS filter
4 M E M S 环行隔离滤波芯片的设计
如图1所示，环行隔离滤波芯片由2个三端口
MEMS 环行器、1个M EM S 带通滤波器和1个薄
膜匹配电阻级联而成，芯片整体结构及仿真结 果如图4所示。其尺寸主要取决于M EM S 环行器 和滤波器的尺寸、各器件间匹配电路设计以及级联 后与外电路之间的匹配电路尺寸。通过仿真设计, 级联后整体性能指标如下：频率为8. 5〜 11.5GHz ；反向隔离度>20 dB ；插人损耗< 1 dB ；带外抑制>25 dB @7 GHz &13 GHz ；芯片 尺寸为 1() mm X l 〇m m X 2. 5 mm 。
678 9 10 11 12 13 14
Frequency/GHz
(a )芯片整体结构
（b )仿真结果
图4 MEMS 环行隔离滤波芯片结构及仿真结果 Fig. 4 Structure and simulation results of the
MEMS circulator-isolator-filter chip
从仿真曲线可以看出只有s ,2和s 31两个信号 通道允许微波信号通过，其他通道都被隔离，同时
S ,2和s 3，的带外抑制能力明显优于传统的环行隔
离器，两者曲线对比结果如图5所示。滤波器的加 入可以有效提高发射信号的带外抑制能力；同时， 对接收通道信号进行滤波，抑制接收信号外的其他
构，从而减小介质损耗；另外，通过M E M S 圆片 级键合、上下表面金属包覆等工艺可以实现腔体屏 蔽结构，起到减小辐射损耗的作用。
MEMS 环行器由中心结及外匹配电路共同构
旋转式清堵机看看
建而成，中心结处放置具有旋磁特性的铁氧体，夕卜 匹配电路通过3个互成120°的传输线连接。合理设 计中心结和外电路，当环行器外部施加一个大小合 适的纵向磁场时，铁氧体材料的旋磁特性会使环行 器结内的电磁波驻波场发生偏转，从而实现电磁波 信号的环行传输[4_6]。
本设计采用硅基基片集成波导（S I W )结 构>8]，结合外围匹配电路的设计方法，实现
MEMS 环行器的小型化设计。MEMS 环行器仿真模
型如图2所示，主要包括铁氧体中心结、S IW 传输 结构和外围匹配电路等。通过对结构参数的优化， 设计的MEMS 环行器频率为8〜12 GHz ，隔离度 (S 2,、S ,3和S 32)及回波损耗（S …、S 22和S 33)均 大于20 dB ，插人损耗（S 12、S 23和S 3,)小于 0.3 dB ，器件性能指标良好。
(a )仿真模型
(b )仿真结果
图2
MEMS 环行器仿真模型及仿真结果
rvpn
Fig. 2 Simulation model and results of the MEMS circulator
3 M E M S 滤波器的设计
采用双层硅基M EM S 带通滤波器结构，输人 输出采用抽头耦合，滤波器基于交指型结构。采用 桂深反应离子刻蚀（DRIE )工艺形成短路通孔, 与芯片下表面镀金层连成一体，形成有效的屏蔽, 这种交指型MEM S 结构的滤波器结构紧凑、体积 相对较小，第二通带中心在3叫（〇>。为滤波器的 中心角频率）处，较A /2 (A 为波长）耦合结构 (2%，处）的寄生通带远，介质损耗低，表现出良 好的滤波性能[9]。本文设计的M EM S 滤波器频率 为8. 5〜11. 5 GHz ，带内插入损耗<0.5 dB ，带外
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李志东等：X 波段M EM S 环行隔离滤波芯片
图7 MEMS 环行隔离滤波芯片实物图
Fig. 7 Photo of the circulator-isolator-filter chip
6 M EMS 环行隔离滤波芯片实测结果
图8为MEMS 环行隔离滤波芯片的测试结果， 可满足微波信号单向传输及带外抑制的要求。图8(a )
频段，增强接收通道的信号抗干扰能力。
图5 MEMS 环行隔离滤波芯片与环行隔离器的仿真结果对比
Fig. 5 Comparison of simulation results of the MEMS circulator-
isolator-filter chip and circulator-isolator
5 M E M S 环行隔离滤波芯片加工
流程
硅基工艺及单晶硅材料制备技术已非常成熟, 基于硅基工艺发展起来的三维立体MEMS 加工技 术同样具有加工精度高、片间一致性好等特点，适 于微波毫米波器件的批量生产["]，本文设计的环 行隔离滤波芯片利用M EM S 加工工艺实现，保证 了较高的结构精度，减小了器件后期的调试复杂 度，同时M EM S 工艺与半导体工艺相兼容，使器 件更容易实现系统化封装和集成。通过金属图形 化、通孔刻蚀、通孔金属化和圆片级键合等
MEMS 加工工艺，可制备硅基MEMS 环行隔离滤
波芯片，制备工艺流程如图6所示。
第一层工艺流程
第二层工艺流程
(C )
通孔金属化
(d )铁氧体槽刻蚀
(e ) 光刻电路围形
(f ) 金属化、电镀
n H n
i h h i
(h )装配
(g )晶圆键合
■光刻胶 ■硅片 ■金
画磁铁 ■磁性材料 载体
图6 MEMS 环行隔离滤波芯片工艺流程图 Fig. 6 Process flow charts of the MEMS circulator-
isolator-filter chip
主要工艺流程包括：（a )光刻通孔；（b )刻蚀 通孔，在硅片上刻蚀形成周期通孔结构；（c )通孔 金属化，溅射种子层、光刻、电镀；（d )铁氧体槽 刻蚀；（e )光刻电路图形；（f )金属化、电镀; (g )晶圆键合；（h )装配测试。最终实现硅腔体
MEMS 环行隔离滤波芯片，如图7所示。
寸端测试曲线，在8. 5〜11. 5 G H z 内插
(8.5 GHz, -1.515 dB) (11.5 GHz, -1.471 dB)
7 8 9 10 11 12 13 14
Frequency/GHz (a )发射端测试曲线
(8.5 GHz, -1.939 dB) (11.5 GHz, -1.779 dB)
3 8 MEMS 环行隔离滤波芯片测试结果 Fig. 8 Measured results of the MEMS
circulator-isolator-filter chip
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人损耗约为1.5 dB，天线端口驻波比<1.25，发 射端口驻波比<1.35，天线口到发射口的隔离度>
2(>dB。图8 (b)为接收端测试曲线，在8.5〜11.5 G H z内插人损耗约为1.9 dB，天线端口驻波 比<1.25，接收端口驻波比<1.35，反向隔离度& 25 dB。分析测试结果明显可以看出，接收端口的 插人损耗比发射端口的插人损耗增加了约0.4 dB，这是由于微波信号从天线口进人，需要经过两个环 行器才能到达接收端口。而发射端口的信号到达天 线端只需要经过一个环行器，所以会导致接收支路 的插人损耗增加。
7结论
采用集成化设计思路设计并制备了一种MEMS环行隔离滤波芯片，该芯片具备良好的带内环行、隔离性能的同时，也具备良好的带外抑制 能力，可以明显增强雷达收发组件的电磁兼容性及 带外抗干扰能力等。各功能器件集成在同一块硅基 M EM S芯片上，便于整个组件的小型化和集成化，避免由于金丝压焊或锡焊引人的阻抗不匹配现象，
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简化T/R组件的组装工艺，提髙T/R组件的可靠 性。芯片尺寸为10 mm X U)mm X 2. 5 mm；发射 支路带内损耗<1.5dB，接收支路带内损耗<1.9dB，隔离度>20dB，驻波比<1.35，带 外抑制>25dB@7GHz&13GHz。
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作者简介：
李志东（1986—），男，河北邯郸人，
硕士，工程师，主要从事射频微电子器件的
设计及工艺研究。
(上接第409页）
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作者简介：
齐秉楠（1996—)，男，山西临汾人，
硕士研究生，主要研究方向为MEMS水声
传感器设计及制备；
王任鑫（1987—)，男，江西萍乡人，博士，副教授，主要从事MEMS水声传感器方面的研究。
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