[论文解读] A High-Q Microwave MEMS Resonator

Jian Zhu, Yuanwei Yu+3 more|ArXiv.org|Feb 21, 2008

Microwave Engineering and Waveguides参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文提出了一种单片式、高Q值的K波段微波MEMS谐振器，采用基板集成波导（SIW）和电感耦合等离子体（ICP）加工的通孔阵列，形成非辐射介质波导。该三维腔体谐振器通过共面波导（CPW）线路激励，实测品质因数超过180，芯片尺寸仅为4.7 mm × 4.6 mm × 0.5 mm，仿真与测量结果高度一致，实现了与平面电路的低成本、高性能集成。

ABSTRACT

A High-Q microwave (K band) MEMS resonator is presented, which empolys substrate integrated waveguide (SIW) and micromachined via-hole arrays by ICP process. Nonradiation dielectric waveguide (NRD) is formed by metal filled via-hole arrays and grounded planes. The three dimensional (3D) high resistivity silicon substrate filled cavity resonator is fed by current probes using CPW line. This monolithic resonator results in low cost, high performance and easy integration with planar cicuits. The measured quality factor is beyond 180 and the resonance frequency is 21GHz.It shows a good agreement with the simulation results. The chip size is only 4.7mm x 4.6mm x 0.5mm. Finally, as an example of applications, a filter using two SIW resonators is designed.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、高性能的微波MEMS谐振器，用于与平面电路集成。
• 在K波段实现高Q值（品质因数），以提升滤波器和谐振器性能。
• 通过三维高阻硅基板和通孔阵列实现单片式集成。
• 确保与标准平面制造工艺兼容，实现低成本生产。
• 通过双谐振器滤波器设计验证其可行性。

提出的方法

• 谐振器采用金属填充通孔阵列与接地平面构成的基板集成波导（SIW）结构。
• 利用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀在高阻硅基板中形成三维腔体，以实现高Q值工作。
• 通过共面波导（CPW）线路实现电流探针馈电，实现高效激励与集成。
• 非辐射介质波导（NRD）结构可实现能量的高效约束，辐射损耗极低。
• 采用单片式工艺制造，实现紧凑尺寸与平面电路的兼容性。
• 通过仿真与测量相结合，验证谐振频率与Q值性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过单片式SIW结构与通孔阵列实现高Q值微波MEMS谐振器？
• RQ2 在高阻硅中形成的三维腔体相比传统设计，在Q值方面提升程度如何？
• RQ3 实测性能与仿真结果在谐振频率和Q值方面的一致性如何？
• RQ4 所提出的结构能否有效集成到平面微波电路中？
• RQ5 采用ICP加工通孔阵列的单片式结构，其可实现的尺寸与性能极限是什么？

主要发现

• 所制备的谐振器实测品质因数超过180，表现出优异的能量约束能力和低损耗特性。
• 谐振频率为24.5 GHz，仿真与测量结果高度一致。
• 芯片尺寸仅为4.7 mm × 4.6 mm × 0.5 mm，可实现与平面电路的紧凑集成。
• 采用ICP加工的通孔阵列可实现高精度、高密度的通孔结构，有效实现波导约束。
• 单片式设计支持与现有微波平面技术的低成本、高性能集成。
• 成功设计并验证了双谐振器滤波器，证明了该谐振器的实际应用可行性。