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

　　MEMS 技術與RF技術的結合，即RF MEMS 技術，為新一代獨特的、高性能濾波器的實現提供了新的機遇。目前人們將MEMS 技術運用到RF/微波濾波器的設計制造中，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計也可以用分布元件設計，它們可以利用各種結構實現，例如微帶線、波導腔、共面波導等。當然，它們也可以由多種制造工藝 實現。

　　1、硅體微加工MEMS濾波器

　　硅體微加工技術是通過對襯底硅的腐蝕加工來實現器件的立體結構，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分，可以用化學的方法（ 如用KOH） 實現很好的各向異性選擇性刻蝕，這是硅體微加工的基礎。硅體微加工技術可以方便地實現較大縱向尺寸的立體加工。基于硅體微加工技術，人們實現了多種 MEMS濾波器。

　　1.1、薄膜和微帶線濾波器

　　為了減小高頻段時來自于襯底的損耗，利用硅體微加工技術的乙二胺鄰苯二酚濕法刻蝕硅形成的腔體實現微帶線的懸空，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由薄膜支撐的傳輸線上，如圖1所示，傳輸線就相當于懸浮在空氣介質中，介質損耗幾乎可以被忽略，且能避免 遭受輻射和產生色散寄生效應。該濾波器的通帶插損為3.6 dB，其中導體損耗是整個部件插損的主要組成部分。部件的相對帶寬為6.1%。與該技術類似，M. Chatras 等人在高阻硅襯底上實現了中心頻率為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的電路中。

　　圖1 W波段耦合帶通濾波器側視圖

　　1.2、微機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，也可以實現濾波器的設計。

　　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械腔體組成，空腔通過兩個狹縫耦合到兩個微帶線上（ 圖2 （a）） 。兩個微帶線利用淀積7.5 μm 厚的金以減小損耗；腔體金屬化層的厚度為2 μm。與其他傳統的金屬矩形、圓形波導諧振器相比，該諧振器尺寸大大地減小，并有高的Q 值（ 無載Q=506，是傳統微帶濾波器的4 倍） 。

　　L. Harle 等人在硅上用狹縫耦合微機械腔實現了中心頻率為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 時為0.9 dB。測得的濾波器的帶寬為3.7%，插入損耗在10.01 GHz 時為2 dB，損耗的差異取決于微帶傳輸線的過渡和線長。濾波器的整體尺寸為5 cm×3 cm×2 600 μm。該濾波器的特點是低損耗、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體表面而有強的功率負載能力。

　　圖2 微機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60 年代就已出現，但其發展一直受制于微細加工工藝技術的水平。隨著MEMS 技術的興起及其加工工藝的進步，使可靠、可重復地制備TFBAR 成為可能，同時也由于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基于TFBAR 的RF/微波濾波器。

　　薄膜聲體波濾波器通過壓電薄膜的逆壓電效應將電能量轉換成聲波形成諧振，在體積、功率負載等方面都比SAW濾波器具有優 勢。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。將部件的兩個電極設計成能被自由調整，在所需頻率上產生振蕩。兩個電極還起著反射器的作用，用以抵消無用聲波。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。得到的濾波器整個部件的尺寸為0.69 mm×0.55 mm，在1.5 GHz 時的3 dB 帶寬為47 MHz。Y.D. Kim等人［8］利用以這種類似結構為基本單元的一種階梯拓樸結構研制出的濾波器，在5GHz 濾段插入損耗只有2.8 dB。

　　圖3 薄膜體聲波濾波器

　　對于硅體微加工工藝來講，硅的化學刻蝕由于依賴于晶向，使得器件的結構形狀和尺寸的進一步縮小都受到了限制。另外，襯底硅的大量刻蝕也會降低器件的機械強度。

　　2、LIGA 平面傳輸線和濾波器

　　LIGA 一詞來源于德語lithographie、galvanoformung和abformung 三個詞語的縮寫，表示深層光刻、電鍍、模鑄三種技術的有機結合。LIGA技術是實現MEMS 微加工的一個重要手段。它借鑒了平面IC 工藝中的光刻技術，但是它對材料加工的深寬比遠大于標準IC 生產中的平面工藝和薄膜的亞微米光刻技術，可以實現高深寬比3D 微結構，且加工的厚度也遠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定所要求的模型。由X 射線作為光刻的光源，它的波長短，對光刻膠有較強的穿透力，能獲得高的分辨率和高的深寬比。利用LIGA技術，T. L. Willke 等人在石英襯底上設計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。與傳統的薄金屬相比，LIGA 傳輸線和諧振器之間有更好的耦合系數。帶通濾波器在14.6 GHz 時有最小的插入損耗，為0.15 dB。

　　3、MEMS 可調濾波器

　　近年來由于微波、毫米波波段的多頻段、寬帶無線通信系 統的迫切需要，基于MEMS 技術的可調諧濾波器逐漸引起了人們很大關注。這種濾波器由MEMS 開關、共平面傳輸線、可變電抗元件等構成，它們具有低插入損耗，高線性度、高Q 值和更好的三階交調頻率點功率性能。根據已有文獻報道，微波MEMS 可調諧濾波器按調諧方式可分為連續可調型和數字可調型兩類。

　　3.1、連續可調濾波器

　　模擬可調濾波器的調節范圍比較小，一般為5%～15%，其可調元件為MEMS 可變容性元件。

　　圖5 （a） 是H. T. Kim 等人用MEMS 技術設計和制作的兩種微型V 波段MEMS 模擬可調濾波器。濾波器在高頻段，用MEMS 技術把模擬集總可調濾波器模型與橋式金屬-空氣-金屬（ metal-air-metal，MAM） 電容結合以增強頻率可調，用石英來減小襯底損耗，用MAM電容來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，通過直流電壓控制可變電容的高度來調節濾波器的截止頻率，其可調范圍為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 橋式可調電容，在石英玻璃襯底上實現了一種小型可調三級帶通濾波器，如圖5 （b） 所示。其核心則是周期性加載的CPW 慢波調諧器結構。N.S. Barker 等人［13］首先報道了這種分布式MEMS 傳輸線（DMTL） 結構，即在共面波導傳輸線上周期性加載MEMS 電容式開關，實現相速和電長度的改變。小型可調濾波器用CPW MEMS 慢波諧振器電感耦合得到，由于MEMS 橋的高Q 值，小型可調濾波器的中頻插入損耗主要由CPW 結構的歐姆損耗和介質損耗決定，與CPW 的標準帶通濾波器相比有更好的性能。通帶中心頻率從18.6 GHz 調節到21.44 GHz，帶寬為7.5%，插損約為4 dB，Δf 》150 kHz 時IIP3 優于50 dBm。

　　圖5 模擬可調帶通濾波器

　　3.2、數字可調濾波器

　　數字型MEMS 可調濾波器相比于模擬型MEMS 可調濾波器，它的調節范圍比較大，性能也比較穩定。數字可調型濾波器可以采用一個MEMS電容陣列，通過將大小不同的電容在濾波電路中分別接入和斷開，實現離散的中心頻率。

　　K. Entesari 等人利用MEMS 電容式開關和微帶線，在玻璃襯底上制作了小型化4 位數字可調濾波器（ 圖6） 。為了實現高的調諧分辨率，將電容式MEMS 開關與高Q 值MAM電容相串聯形成電容庫。器件在6.5~10 GHz 頻段實現了數字調諧，較多MEMS 開關的使用使得其濾波特性又接近于連續可調。在整個調諧范圍內，濾波器的相對帶寬為（5.1±0.4） %，回波損耗優于16 dB，插入損耗在9.8GHz、6.5 GHz 時分別為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 頻段數字可調濾波器

　　利 用兩個λ/4 共面波導諧振器，E. Fourn 等人［15］還設計了一種兩階數字可調帶通濾波器。諧振器與終端開路的短截線間的可變串聯電容由懸臂梁式MEMS 開關實現。當懸臂梁被下拉的時候，由于諧振器的電容部分發生改變，諧振頻率也發生變化。MEMS 開關處于上拉狀態時，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；當開關下拉時，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 可調濾波器，由于僅用一種可變容性電抗元件來達到頻率調諧的目的，可調電感無法同時實現，也未能充分利用基于CPW周期性結構的微波/毫米波的 慢波特性，因此其可調范圍有限。J. H. Park 等人報道了一種利用分形自相似結構來實現的低損耗可重構低通濾波器，將通帶頻段推向了毫米波段，它是通過同時利用可調電感和電容實現的。該濾波器 基于20 世紀80 年代美國科學家B. B. Mandelbrot 提出的分形理論，是一種按比例縮小/放大的自相似結構，從而達到多頻段上實現可重構濾波的目標。圖7 是制作的利用可調電感和電容獲得的RF MEMS 可調低通濾波器。該濾波器采用單一驅動的多觸點MEMS 開關實現濾波器重構的控制，使總的開關數目得以減小，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重構到28 GHz。

　　圖7 分形可重構低通MEMS 濾波器

　　另外，通過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可調發夾線型濾波器，如圖8。該濾波器制作在525 μm 厚的高阻硅襯底上，通過10 個歐姆接觸式MEMS 懸臂梁開關給發夾型濾波器的諧振器U 型分支增加傳輸線長度，來改變諧振器的開路短截線的長度，從而得到濾波器諧振頻率的可調。濾波器在6.2 GHz 頻率上有15%的帶寬，并有著10%的調節范圍，插入損耗和回波損耗分別為4.5 dB 和17 dB。

　　圖8 MEMS 可調發夾型數字可調濾波器

　　除了上面的單刀單擲MEMS 開關實現的MEMS可調濾波器外，也有單刀多擲MEMS 開關實現的MEMS 可調濾波器的報道。I. C. Reines 等人利用單刀三擲開關設計了Ku 波段開關型可調帶通濾波器。濾波器可調中心頻率分別為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%，三個頻段的回波損耗優于10 dB。另外，為了適應復雜環境（ 例如要求高的隔離度） ，B. Pillans等人設計制作了級聯的低通和高通濾波單元，實現了中心頻率和帶寬均可調的帶通濾波器。濾波器在6~15 GHz 內實現了可調，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、結語

　　基于MEMS技術的濾波器是現在RF系統中的一個關鍵MEMS 器件。借助于MEMS 加工技術的進步及與射頻/微波技術的結合，MEMS 濾波器的研究得到了快速的發展。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，適應現代日益復雜的RF 環境要求。其中，可調MEMS 濾波器的開發，有著更為迫切的現實意義，它有利于開發可調諧的收發模塊，以改善多信道收發系統的性能，從而為新一代無線通信系統的開發起著不可或缺的積極 作用。