專利名稱：頻率可重構(gòu)天線及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其涉及頻率可重構(gòu)天線及其制備方法。
背景技術(shù)：
在無線通信裝置中，一般都包括用于發(fā)射和接收信號(hào)的天線。隨著高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)、雷達(dá)和無線通信系統(tǒng)的飛速發(fā)展，對(duì)天線的要求也越來越高。一方面，需要使天線能夠工作在多個(gè)頻段，具有多種工作模式并具有很好的傳輸性能，另一方面又要減小天線的重量和體積。1983年，D.Schaubert首次提出頻率可重構(gòu)天線的概念,頻率可重構(gòu)天線通過改變天線的尺寸或者天線加載的電抗值來改變天線的頻率，這樣可以通過切換天線不同的狀態(tài)使天線具有多種工作頻率，從而有利于在傳輸中實(shí)現(xiàn)多種有效的分集。目前大多數(shù)頻率可重構(gòu)天線設(shè)計(jì)都采用MEMS開關(guān)來實(shí)現(xiàn)頻率重構(gòu)。與傳統(tǒng)的PIN 二極管開關(guān)和MESFET開關(guān)相比，MEMS開關(guān)具有低導(dǎo)通電阻、高斷開隔離度、低插入損耗和低寄生電容等優(yōu)良的射頻特性及尺寸小等特點(diǎn)，使得它更適合應(yīng)用于頻率可重構(gòu)天線的設(shè)計(jì)。但是，由于天線通常都是位于半導(dǎo)體芯片的外部，所以頻率可重構(gòu)天線與半導(dǎo)體芯片常常是預(yù)先分開制造并隨后被耦合在一起以得到最終所需的無線通信裝置，這使得最終得到的無線通信裝置的體積偏大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中采用頻率可重構(gòu)天線的無線通信裝置體積大的缺陷，提供一種能夠克服該缺陷的頻率可重構(gòu)天線及其制備方法。本發(fā)明提供一種頻率可重構(gòu)天線，該頻率可重構(gòu)天線包括:半導(dǎo)體襯底；形成于所述半導(dǎo)體襯底中的多個(gè)硅通孔，所述硅通孔中形成有天線元件；位于所述半導(dǎo)體襯底的一側(cè)上并用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)天線元件之間的選擇性連接的多個(gè)第一開關(guān)；位于與所述半導(dǎo)體襯底的所述一側(cè)相對(duì)立的另一側(cè)上并用于與所述第一開關(guān)相配合來實(shí)現(xiàn)至少三個(gè)天線元件的串聯(lián)的多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€；以及用于接收/發(fā)射天線信號(hào)的輸入/輸出電路。本發(fā)明還提供一種制備頻率可重構(gòu)天線的方法，該方法包括:在半導(dǎo)體襯底中形成多個(gè)硅通孔；在所述硅通孔中形成天線元件；在所述半導(dǎo)體襯底的一側(cè)上形成用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)天線元件之間的選擇性連接的多個(gè)第一開關(guān)；在與所述半導(dǎo)體襯底的所述一側(cè)相對(duì)立的另一側(cè)上形成用于與所述第一開關(guān)相配合來實(shí)現(xiàn)至少三個(gè)天線元件的串聯(lián)的多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€；以及
形成用于接收/發(fā)射天線信號(hào)的輸入/輸出電路。由于根據(jù)本發(fā)明的頻率可重構(gòu)天線及其制備方法是在半導(dǎo)體襯底中的硅通孔中形成天線元件，并利用開關(guān)來實(shí)現(xiàn)天線工作頻率的可重構(gòu)性，所以其至少具備以下優(yōu)點(diǎn):(O能夠與半導(dǎo)體制造工藝相兼容；(2)將天線元件集成在半導(dǎo)體襯底中的硅通孔中，使得天線元件與半導(dǎo)體芯片能夠被耦合在一個(gè)芯片中，從而有效地減小了天線的體積；(3)利用開關(guān)來控制天線元件之間的連接，從而控制天線的尺寸，使得能夠?qū)崿F(xiàn)天線在不同的工作頻率之間進(jìn)行切換。


附圖是用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式
一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中:圖1是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的頻率可重構(gòu)天線的剖面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的目標(biāo)中心頻率為2.5GHz的頻率可重構(gòu)天線的俯視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的目標(biāo)中心頻率為2.5GHz的頻率可重構(gòu)天線的另一俯視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的目標(biāo)中心頻率為5GHz的頻率可重構(gòu)天線的俯視圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的制備頻率可重構(gòu)天線的流程圖；以及圖6a_6g是在第一開關(guān)為微懸臂型MEMS開關(guān)的情況下根據(jù)本發(fā)明的頻率可重構(gòu)天線的制備流程圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式
僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方式的頻率可重構(gòu)天線包括:半導(dǎo)體襯底I ;形成于所述半導(dǎo)體襯底I中的多個(gè)硅通孔2，所述硅通孔中形成有天線元件3 ;位于所述半導(dǎo)體襯底I的一側(cè)上并用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)天線元件3之間的選擇性連接的多個(gè)第一開關(guān)4 ;位于與所述半導(dǎo)體襯底I的所述一側(cè)相對(duì)立的另一側(cè)上并用于與所述第一開關(guān)4相配合來實(shí)現(xiàn)至少三個(gè)天線元件3的串聯(lián)的多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€5 ；以及用于接收/發(fā)射天線信號(hào)的輸入/輸出電路6。優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體襯底I并不局限于硅襯底，還可以為SOI (絕緣體上硅)襯底或其他襯底，只要所選擇的半導(dǎo)體襯底I適于在該半導(dǎo)體襯底I中的硅通孔2中制備天線元件3即可。另外，半導(dǎo)體襯底I的厚度優(yōu)選可以在從25微米到300微米的范圍內(nèi)變化，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體襯底I的厚度并不局限于上述的范圍，其還可以為其他數(shù)值，只要半導(dǎo)體工藝能夠?qū)崿F(xiàn)即可。硅通孔2的直徑優(yōu)選可以在從5微米到100微米的范圍內(nèi)變化，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在實(shí)際應(yīng)用中，硅通孔2的直徑并不局限于上述的范圍，其還可以為其他數(shù)值，只要半導(dǎo)體工藝能夠?qū)崿F(xiàn)即可。另外，硅通孔內(nèi)部可以填充金屬或者其他用于形成天線元件3的材料。
優(yōu)選地，所述第一開關(guān)4和所述第二開關(guān)5可以為MEMS開關(guān)或其他類型的半導(dǎo)體開關(guān)，例如MESFET開關(guān)、PIN開關(guān)等，其中在圖1中是以壓阻型MEMS開關(guān)為例繪出了根據(jù)本發(fā)明的頻率可重構(gòu)天線的剖面圖。優(yōu)選地，所述MEMS開關(guān)可以包括并聯(lián)式MEMS開關(guān)和串聯(lián)式MEMS開關(guān)。優(yōu)選地，所述頻率可重構(gòu)天線還可以包括用于控制所述第一開關(guān)4和所述第二開關(guān)5的通斷的控制電路7 (未示出)。可以通過控制第一開關(guān)4和第二開關(guān)5的通斷狀態(tài)來改變最終得到的天線的尺寸，進(jìn)而改變天線的工作頻率。另外，位于與所述半導(dǎo)體襯底I的所述一側(cè)相對(duì)立的另一側(cè)上的用于與所述第一開關(guān)4相配合來實(shí)現(xiàn)至少三個(gè)天線元件3的串聯(lián)的所述多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€5可以僅是多個(gè)第二開關(guān)，也可以僅是多個(gè)導(dǎo)線，還可以是第二開關(guān)和導(dǎo)線的組合，當(dāng)然，更優(yōu)選地是，所述多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€5可以被設(shè)計(jì)成僅為多個(gè)導(dǎo)線5 (例如，圖1中示出了多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€5僅為導(dǎo)線的圖示)，從而可以通過只控制第一開關(guān)4的通斷來改變最終得到的天線的尺寸，以便進(jìn)而改變天線的工作頻率。作為根據(jù)本發(fā)明的頻率可重構(gòu)天線的一個(gè)實(shí)施例，假定無線通信系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)
2.5GHz,5GHzUOGHz和25GHz四個(gè)工作頻率的切換，則在此實(shí)施例中，四分之一波長(zhǎng)分別為30mm、15mm、7.5mm和3mm,因此該實(shí)施例中四個(gè)工作頻率所對(duì)應(yīng)的天線的目標(biāo)長(zhǎng)度分別為30mm、15mm、7.5mm和3mm。假定根據(jù)本發(fā)明的可重構(gòu)天線中的娃通孔之間的間距為lOOum、高度為200um、孔徑為40um，則一個(gè)天線元件L形部分的長(zhǎng)度為300um，因此上述四個(gè)工作頻率所對(duì)應(yīng)的串聯(lián)L形天線元件3的數(shù)目分別為100、50、25和10個(gè)，圖2_4分別示出了目標(biāo)中心頻率分別為2.5GHz和5GHz的頻率可重構(gòu)天線的示意性俯視圖，而且為了能夠更清楚的示出天線元件3、第一開關(guān)4和第二開關(guān)和/或?qū)Ь€5之間的連接關(guān)系，在圖2-4中用虛線示出了在俯視觀察時(shí)看不到的第二開關(guān)和/或?qū)Ь€5。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，天線元件的布局是任意的，并不局限于圖2-4所示的布局。本發(fā)明還提供了一種制備根據(jù)本發(fā)明的頻率可重構(gòu)天線的方法，如圖5所示，該方法包括:S51、在半導(dǎo)體襯底I中形成多個(gè)硅通孔2。其中，所述半導(dǎo)體襯底I并不局限于硅襯底，還可以為SOI襯底或其他襯底，只要所選擇的半導(dǎo)體襯底I適于在該半導(dǎo)體襯底I中的硅通孔2中制備天線元件3即可。另外，半導(dǎo)體襯底I的厚度優(yōu)選可以在從25微米到300微米的范圍內(nèi)變化，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在實(shí)際應(yīng)用中，半導(dǎo)體襯底I的厚度并不局限于上述的范圍，其還可以為其他數(shù)值，只要半導(dǎo)體工藝能夠?qū)崿F(xiàn)即可。此外，硅通孔2的直徑優(yōu)選可以在從5微米到100微米的范圍內(nèi)變化，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在實(shí)際應(yīng)用中，硅通孔2的直徑并不局限于上述的范圍，其還可以為其他數(shù)值，只要半導(dǎo)體工藝能夠?qū)崿F(xiàn)即可。S52、在所述硅通孔2中形成天線元件3。其中，硅通孔2的內(nèi)部可以填充金屬或者其他用于形成天線元件3的材料，從而形成天線元件3。S53、在所述半導(dǎo)體襯底I的一側(cè)上形成用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)天線元件3之間的選擇性連接的多個(gè)第一開關(guān)4。S54、在與所述半導(dǎo)體襯底I的所述一側(cè)相對(duì)立的另一側(cè)上形成用于與所述第一開關(guān)4相配合來實(shí)現(xiàn)至少三個(gè)天線元件3的串聯(lián)的多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€5。優(yōu)選地，所述第一開關(guān)4和所述第二開關(guān)5可以為MEMS開關(guān)或其他類型的半導(dǎo)體開關(guān)，例如MESFET開關(guān)、PIN開關(guān)等。而且，所述MEMS開關(guān)可以包括并聯(lián)式MEMS開關(guān)和串聯(lián)式MEMS開關(guān)。另外，位于與所述半導(dǎo)體襯底I的所述一側(cè)相對(duì)立的另一側(cè)上的用于與所述第一開關(guān)4相配合來實(shí)現(xiàn)至少三個(gè)天線元件3的串聯(lián)的所述多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€5可以僅是多個(gè)第二開關(guān)，也可以僅是多個(gè)導(dǎo)線，還可以是第二開關(guān)和導(dǎo)線的組合，當(dāng)然，更優(yōu)選地是，所述多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€5可以被設(shè)計(jì)成僅為多個(gè)導(dǎo)線5 (例如，圖1中示出了多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€5僅為導(dǎo)線的圖示)，從而可以通過只控制第一開關(guān)4的通斷來改變最終得到的天線的尺寸，以便進(jìn)而改變天線的工作頻率。S55、形成用于接收/發(fā)射天線信號(hào)的輸入/輸出電路。另外，根據(jù)本發(fā)明的制備頻率可重構(gòu)天線的方法還可以包括形成用于控制所述第一開關(guān)4和所述第二開關(guān)5的通斷的控制電路。下面結(jié)合第一開關(guān)4為微懸臂型MEMS開關(guān)、第二開關(guān)和/或?qū)Ь€5僅為導(dǎo)線的情況來描述根據(jù)本發(fā)明的制備頻率可重構(gòu)天線的方法的實(shí)施例，其流程剖面圖如圖6a_6g所
/Jn ο首先，如圖6a所示，在半導(dǎo)體襯底I中形成多個(gè)硅通孔2，并在硅通孔2中形成天線元件3。然后，可以例如通過物理氣相淀積、化學(xué)氣相淀積等方法來形成MEMS開關(guān)的金屬層7和犧牲層8圖形，如圖6b所示。然后，制備微懸臂型MEMS開關(guān)的懸臂梁9，如圖6c所示。然后，如圖6d所示，將形成了懸臂梁9的結(jié)構(gòu)與臨時(shí)鍵合圓片11進(jìn)行鍵合，例如，通過鍵合膠10進(jìn)行鍵合。該臨時(shí)鍵合圓片11相當(dāng)于保護(hù)膜，能夠在后續(xù)流程中對(duì)已形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。應(yīng)當(dāng)理解的是，除了臨時(shí)鍵合圓片10，還可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他保護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在后續(xù)流程中對(duì)已形成結(jié)構(gòu)的保護(hù)。然后，如圖6e所示，進(jìn)行背面減薄工藝，以從半導(dǎo)體襯底I的背面露出天線元件3。然后，如圖6f所示，在半導(dǎo)體襯底I的背面進(jìn)行布線以形成導(dǎo)線12。然后，如圖6g所示，去除臨時(shí)鍵合圓片11、臨時(shí)鍵合膠10和犧牲層8，并之后通過倒裝焊的方法與輸出電路6進(jìn)行組裝從而得到最終的頻率可重構(gòu)天線。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，圖6a_6g僅是以第一開關(guān)4為微懸臂型MEMS開關(guān)為例來說明根據(jù)本發(fā)明的頻率可重構(gòu)天線的制備流程，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下，可進(jìn)行各種修改和變形。而且，根據(jù)本發(fā)明的頻率可重構(gòu)天線中的MEMS開關(guān)并不局限于微懸臂結(jié)構(gòu)，其也可以采用微橋結(jié)構(gòu)。由于微橋結(jié)構(gòu)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是公知的，所以此處不再贅述。雖然本發(fā)明已通過上述實(shí)施例所公開，然而上述實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明，任何本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，應(yīng)當(dāng)可以作各種的變動(dòng)與修改。因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以所附權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種頻率可重構(gòu)天線，該頻率可重構(gòu)天線包括: 半導(dǎo)體襯底； 形成于所述半導(dǎo)體襯底中的多個(gè)硅通孔，所述硅通孔中形成有天線元件； 位于所述半導(dǎo)體襯底的一側(cè)上并用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)天線元件之間的選擇性連接的多個(gè)第一開關(guān); 位于與所述半導(dǎo)體襯底的所述一側(cè)相對(duì)立的另一側(cè)上并用于與所述第一開關(guān)相配合來實(shí)現(xiàn)至少三個(gè)天線元件的串聯(lián)的多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€；以及 用于接收/發(fā)射天線信號(hào)的輸入/輸出電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻率可重構(gòu)天線，其中，所述半導(dǎo)體襯底為硅襯底或SOI襯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻率可重構(gòu)天線，其中，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)為MEMS開關(guān)、MESFET開關(guān)、PIN開關(guān)中的至少一者或其組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的頻率可重構(gòu)天線，其中，所述MEMS開關(guān)包括并聯(lián)式MEMS開關(guān)和串聯(lián)式MEMS開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻率可重構(gòu)天線，其中，所述頻率可重構(gòu)天線還包括用于控制所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的通斷的控制電路。
6.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的頻率可重構(gòu)天線的方法，該方法包括:` 在半導(dǎo)體襯底中形成多個(gè)硅通孔； 在所述硅通孔中形成天線元件； 在所述半導(dǎo)體襯底的一側(cè)上形成用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)天線元件之間的選擇性連接的多個(gè)第一開關(guān); 在與所述半導(dǎo)體襯底的所述一側(cè)相對(duì)立的另一側(cè)上形成用于與所述第一開關(guān)相配合來實(shí)現(xiàn)至少三個(gè)天線元件的串聯(lián)的多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€；以及 形成用于接收/發(fā)射天線信號(hào)的輸入/輸出電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體襯底為硅襯底或SOI襯底。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)為MEMS開關(guān)、MESFET開關(guān)、PIN開關(guān)中的至少一者或其組合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述MEMS開關(guān)包括并聯(lián)式MEMS開關(guān)和串聯(lián)式MEMS開關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，該方法還包括形成用于控制所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的通斷的控制電路。
全文摘要
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中采用頻率可重構(gòu)天線的無線通信裝置體積大的缺陷，提供一種能夠克服該缺陷的頻率可重構(gòu)天線及其制備方法。本發(fā)明提供的頻率可重構(gòu)天線包括半導(dǎo)體襯底；形成于所述半導(dǎo)體襯底中的多個(gè)硅通孔，所述硅通孔中形成有天線元件；位于所述半導(dǎo)體襯底的一側(cè)上并用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)天線元件之間的選擇性連接的多個(gè)第一開關(guān)；位于與所述半導(dǎo)體襯底的所述一側(cè)相對(duì)立的另一側(cè)上并用于與所述第一開關(guān)相配合來實(shí)現(xiàn)至少三個(gè)天線元件的串聯(lián)的多個(gè)第二開關(guān)和/或?qū)Ь€；以及用于接收/發(fā)射天線信號(hào)的輸入/輸出電路。
文檔編號(hào)H01Q5/00GK103078171SQ20131000258
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月5日
發(fā)明者蔡堅(jiān), 魏體偉, 王謙 申請(qǐng)人:清華大學(xué)