高效宽调谐范围MEMS滤波器的设计与表征方法

滤波器在无线通信的接收和发射电路中非常流行且应用广泛。此外，气体传感器、生物传感器和温度传感器是最常见的应用。这些高性能滤波器应采用CMOS MEMS工艺制造，以实现更可靠的制造过程，并通过消除两个独立芯片之间的额外连线，支持低噪声信号设计。

此处，CMOS 代表互补金属氧化物半导体，MEMS 代表微机电系统与传感器。此外，后处理工艺应设计为能够避免在制造过程中发生粘连。测量 MEMS 谐振器谐振频率的一种常用方法是使用网络分析仪，但由于以下原因，该方法的性能不及激光多普勒测振技术。

网络分析仪方法面临的主要挑战之一是消除寄生电容。我看到使用了设计工具来放大120微米长梁的等效电路的频率和相位响应。即使寄生电容从1飞法增加到20飞法，这两个瓦特峰峰值也从6 dB显著下降至0.34 dB。

因此，这需要一个芯片，其激励设计紧邻最大共振器。激光多普勒测振仪是另一种方法，它利用激光来检测梁在共振时的振动。与网络分析仪相比，激光多普勒测振仪技术消除了寄生电容问题。

此外，它能够检测高阶模态共振，这在生物传感等不同研究领域中具有诸多优势，并且相较于网络分析仪，可表征尺寸更小的谐振器。这使得快速原型制作成为可能，并实现更高灵敏度和更精确的谐振器，尤其是在生物传感应用中。本研究的目标是提供一种指导方法，用于在设计完成后，利用激光多普勒测振仪测量频率调谐、优化调谐能力，并避免双粘附型固支梁的产生。

该过程首先从寻找最优结构开始。在第二种宽范围频率调谐中选择两端固支梁，因为与其他候选结构相比，两端固支梁在受热时能够实现更宽范围的调谐，这是由于其具有较大的频率温度系数和独立的热膨胀常数。若目标是实现更高的调谐效率，则应设计更长的梁。

如果目的是用于跳频或信号跟踪应用，则设计较短的梁。在基于有限元的程序中设计并创建MEMS馈电结构的3D模型。在集成电路设计工具中逐层重建相同布局，以生成GDS文件。

将此 GDS 文件提交至 CMOS 代工厂进行制造。此处我们采用 CMOS 0.6 微米工艺。一旦 CMOS 工艺完成，芯片应包含多晶硅、铝和氧化物层。

下一步是进行后处理步骤。通过ICPH系统执行CHF302干法刻蚀工艺，该工艺用于在铝层之间刻蚀二氧化硅，以形成高宽比为5.7的悬臂梁结构。该工艺使用以下参数。

CHF3 流量为 40 sccm，氧气流量为 5 sccm，压力为 0.5 帕斯卡，ICP 功率为 500 瓦，样品功率为 100 瓦，总刻蚀时间为 56 分钟。在硅衬底上应用四氟化氙刻蚀工艺，以在悬臂梁下方形成深度为九微米的空腔。该工艺采用四氟化氙刻蚀系统，共进行三个循环，每个循环压力为三托，持续时间为 60 秒。

在电子显微镜下表征器件，以确保其正确制备。在此步骤中，将电子束加速电压调整为 2.58 kilovolts，工作距离调整为 9.5 毫米。器件测试包含多个步骤，包括焦耳加热测试和频率响应测试。

将热成像相机置于芯片顶部，并测试环境加热器，确保其能够加热悬臂梁。将电源连接至芯片封装，以在嵌入式加热器上施加0伏至5.7伏之间的直流电压，通过小幅度递增电压来逐步升高悬臂梁各部分的温度。在加热过程中，使用热成像相机记录芯片封装内的温度分布，并将结果保存至数值处理程序中，绘制加热曲线图。

在长度为120微米的梁上方定位激光。在两条长120微米的梁之间连接电源，施加约7.7伏直流电压和交流电压，以实现共振操作。通过最大5.7伏的附加直流偏置电压连接至嵌入式加热器，在共振操作期间对梁施加焦耳热。

将激光移动到光束上的不同位置，以获得更小的激光偏转。务必增加蓝色条的强度以降低噪声。将屏幕划分为多个视图，用于校准并启动测量设置。

进入采集设置。将测量模式设为FFT。不要使用任何滤波器。

将带宽设置为 2 兆赫。调整速度，使其支持最高 2.5 兆赫的频率。使用周期性码片波形。

此处，幅值代表交流电压，偏移量代表直流电压。使用此新设置开始连续测量。通过将直流电压更改为1伏特来更新采集设置。

当Ref1显示红色警报时，表示信号存在噪声。请在采集设置窗口中降低施加的偏置电压以解决此问题。将激光移动到光束上的不同位置，以进一步提高信噪比。

有时您可能会发现光束上存在不良位置，导致振动条出现红色警报。请继续在光束上寻找最佳位置。选择长度为 68 微米的 MEMS 滤光片进行测试。

在两根68微米长的相邻梁之间同时施加25伏直流电压和5伏交流电压。此处，直流电压用于产生静电偏压，交流电压用于激发共振。向位于68微米长梁内的嵌入式加热器施加额外的直流电压，并以小步进方式将电压从0伏逐步增加至5.7伏。

这将基于焦耳热效应提供频率调谐。在每一步中，观察并记录施加偏置电压下的共振频率和相位响应，并将结果汇总于表格中。在此样品中，当向嵌入式加热器施加5.7伏直流电压时，总频率调谐量约为874千赫兹。

按下 A/D 按钮进入采集设置窗口（该窗口在激光多普勒测振仪校准与测试设置部分已演示），并调整为支持极高频率的速度模式。测量第一和第二阶模态及其相位。施加一个 1 赫兹的方波信号，以解决由于两个相邻光束间速度充电引起的静摩擦问题。

转到发生器选项卡，在波形下拉菜单中选择方波。进入偏移量设置框，将直流电压设为1伏特。进入频率设置框，将频率设为1赫兹。

激活并应用这些新设置到光束上。观察光束的分离情况。使用额外的样品进行热应力测试。

逐步小幅增加嵌入式加热器的施加偏置电压，以确定器件因高热应力失效前的最大允许电压。在两个间距为68微米的相邻悬臂梁之间同时施加25伏直流电压和5伏交流电压，同时将嵌入式加热器的施加偏置电压从0伏逐步增加至5.7伏，从而获得总计661千赫兹的频率偏移。随后，在保持嵌入式加热器偏置电压设置不变的前提下，将施加的偏置电压从25伏增加至35伏，同时施加1伏交流电压，以进一步增强两个长度为68微米的相邻悬臂梁之间的软化效应。

记录总频率偏移量的32%提升，该值应从661千赫兹增加至875千赫兹，这是由额外的软化效应引起的。通过向嵌入式加热器施加偏置电压，实现了宽范围的频率调谐，并利用激光多普勒测振仪进行了验证。对于谐振器而言，高频共振测量至关重要，因为它为高灵敏度和高精度生物传感器的应用提供了有前景的结果。

激光多普勒测振仪能够实现高频测量，而这种测量几乎无法通过网络分析仪读取。通过在每根梁上测量多个点，使用激光多普勒测振仪测得了第五阶模态。所测得的振型与右下角所示基于有限元分析程序的结果相吻合。

本视频介绍了如何设计、制备和表征长波、宽调谐范围的CMOS MEMS滤波器。宽调谐范围的MEMS滤波器在信号跟踪和跳频应用中具有很高的需求。因此，在扩大调谐范围的同时避免器件失效，其成功实现具有易于应用和可重复的优点。

为了实现可靠且低成本的制造，成功展示了避免烧蚀和粘连等常见问题的方法。在表征方面，成功验证了激光多普勒测振仪和网络分析仪的优越性，不仅能够实现第五阶模态条纹，还可推动便携式生物传感器及早期诊断（如艾滋病病毒检测）等前沿技术的发展。