CN101034122A - 微电子机械正交双通道微波相位在线检测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

微电子机械正交双通道微波相位在线检测器及其制备方法使得测量信号的幅度变大、测量信号的频带变宽、可测相位为整个周期、不需要消耗直流功率，且便于集成，该在线检测器以砷化镓为衬底(1)，在衬底上有功率分配器、功率合成器、90°移相器、固支梁结构，功率分配器、功率合成器由共面波导构成的端口一(7)、端口二(8)、端口三(9)、不对称共面带线(10)、氮化钽电阻(2)组成；固支梁结构包括信号输入端口(16)、桥墩(5)、固支梁(13)、支撑结构(6)、传感电极(4)、传感电极引线(12)、电容检测端口(15)、空气桥(14)组成，在固支梁下方的传输线、支撑结构、传感电极及空气桥下方的传感电极引线的上方有氮化硅介质层(11)。

Description

微电子机械正交双通道微波相位在线检测器及其制备方法

技术领域

本发明提出了基于微电子机械系统(MEMS)技术的正交双通道微波相位在线检测器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

在微波研究中，微波相位是表征微波信号特征的一个重要参数，微波相位的测量在微波无线应用和测量技术中具有非常重要的地位。传统的微波相位检测器都是基于二极管或常效应管结构的，它们都需要消耗直流功率，而且还部分的存在以下问题：测量的信号幅度比较小、测量信号的带宽较小、测量精度不高、可测相位仅为半个周期等。

近20多年来，随着MEMS技术的飞速发展，对很多MEMS结构和器件如固支梁结构、MEMS开关等都进行了深入的研究，这些都使采用MEMS技术实现微波相位检测器成为可能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的微电子机械正交双通道微波相位在线检测器及其制备方法，使得测量信号的幅度变大、测量信号的频带变宽、可测相位为整个周期、不需要消耗直流功率，且便于集成。

技术方案：本发明的微电子机械正交双通道微波相位在线检测器，是利用微波信号产生静电力，从而影响信号线上方的固支梁结构，当固支梁稳定后，它与传感电极之间的电容发生了变化，通过电容检测电路测出电容，电容与微波信号电压有效值的平方一一对应，而微波信号电压有效值的平方包含了相位差的信息且与之一一对应，这样就测出了微波信号之间的相位差。

本发明的微电子机械正交双通道微波相位在线检测器的结构为：第一功率分配器的端口一接参考信号，第一功率分配器的端口二、端口三分别输出参考信号一和参考信号二并分别接第一功率合成器与第二功率合成器的端口二；第二功率分配器的端口一接被测信号，其端口二、端口三分别输出被测信号一和被测信号二并分别接第一功率合成器的端口三和90°移相器，在第一功率合成器的端口一处形成了第三信号接到第一固支梁结构的信号输入端；90°移相器的输出端输出被测信号二_接到第二功率合成器的端口三，在第二功率合成器的端口一形成了第四信号，把第四信号接到第二固支梁结构的信号输入端。

该在线检测器以砷化镓为衬底，在衬底上有功率分配器、功率合成器、90°移相器、固支梁结构，功率分配器、功率合成器由共面波导构成的端口一、端口二、端口三、不对称共面带线、氮化钽电阻组成；90°移相器直接采用四分之一波长线的共面波导传输线来实现；固支梁结构包括信号输入端口、桥墩、固支梁、支撑结构、传感电极、传感电极引线、电容检测端口、空气桥组成，在固支梁下方的传输线、支撑结构、传感电极及空气桥下方的传感电极引线的上方有氮化硅介质层。

假设参考信号与被测信号的幅度已知，并且它们之间的频率相同，相位差为_。参考信号和被测信号分别通过第一功率分配器和第二功率分配器，它们各自产生两个信号，即形成了参考信号一～被测信号一(U_r1～U_s1)、参考信号二～被测信号二(U_r2～U_s2)两对信号，这两对信号的相位差与参考信号、被测信号之间的相位差相同，均为_，U_r1与U_r2的电压有效值相等，且为参考信号电压有效值的

U_s1与U_s2的电压有效值相等，且为被测信号电压有效值的

将U_r1～U_s1直接输入到第一功率合成器，如图1左半部分所示，由第一功率合成器得到一个新信号，称为第三信号，其大小由U_r1、U_s1及它们之间的相位差决定。第三信号在通过带有固支梁结构的共面波导(CPW)时，会产生静电力，从而将固支梁下拉，引起固支梁与传感电极之间电容发生变化，通过电容检测电路测出电容，其值是与第三信号电压的有效值的平方是一一对应的，这样就得到了第三信号电压有效值的平方这个数值，这样，由U_r1、U_s1及第三信号组成的三角形的三边长度都已知了，根据几何知识可知，三角形的形状也就确定下来了，根据余弦定理就可以确定U_r1、U_s1之间的相位差为|_|。

对于第二对信号，先将U_s2进行90°的移相，得到被测信号二_(U_s2′)，这样U_r2与U_s2′的相位差变为_+90°，然后将U_r2与U_s2′输入到第二功率合成器，如图1右半部分所示，根据上述方法，就可以确定U_r2与U_s2′的相位差为|_+90°|。由|_|及|_+90°|这两个值就可以在整个周期内唯一确定参考信号、被测信号之间的相位差_。

在传感电极旁边加两个支撑结构还可以实现微波相位的在线检测，其原理：在线检测时只需在测量前，先在传感电极上施加驱动控制信号，将固支梁下拉到支撑结构的高度，然后再进行如上所述的相位测量；不需要测量时，传感电极上没有驱动控制信号，固支梁距离共面波导较高，其插入损耗很小。

功率分配器和功率合成器在结构形式上完全相同，当从端口一输入，从端口二、端口三输出时为功率分配器；当从端口二、端口三输入，从端口一输出时为功率合成器。

有益效果：与现有的微波相位检测器相比，这种新型的基于MEMS的技术的微波相位在线检测器具有以下显著的优点：

1、该结构有工作和不工作两种状态，即在线检测时只需在测量前，先在传感电极上施加驱动控制信号，将固支梁下拉到支撑结构的高度，然后再进行如上所述的相位测量，不需要测量时，传感电极上没有驱动控制信号，固支梁距离共面波导较高，其插入损耗很小；

2、该结构全是由无源器件构成，不需要消耗直流功率；

3、该结构采用CPW传输线技术，与单片微波集成电路(MMIC)工艺完全兼容，便于集成；

4、测量信号的幅度得到很大提高，可测相位的范围为整个周期；

5、该结构具有很好的对称性，可以不需要考虑功率分配器引入的相移，所6、以测量结果的精度得到了提高；

7、频带宽度得到展宽；

而且这种结构是基于MEMS技术的，具有MEMS的基本优点，如体积小、重量轻、功耗低等。这一系列优点是传统的微波相位检测器无法比拟的，因此它具有很好的研究和应用价值。

附图说明

图1是正交双通道微波相位在线检测器的原理图。

图2是功分器的正面俯视图及框图。

图3是固支梁结构的正面俯视图及A-A面的剖视图。

图4第三信号电压有效值的平方与相位差的关系图

图中包括：GaAs衬底1，氮化钽(TaN)电阻2，CPW的地线3，传感电极4，桥墩5，支撑结构6，端口一7，端口二8，端口三9，不对称共面带线(ACPS)10，氮化硅(SiN)介质层11，传感电极引线12，固支梁13，空气桥14，电容检测端口15，信号输入端口16。

具体实施方式

本发明微波相位在线检测器以GaAs衬底为衬底，具体实施方案如下：

微电子机械正交双通道微波相位在线检测器，其特征在于第一功率分配器a的端口一接参考信号，第一功率分配器a的端口二、端口三分别输出参考信号一U_r1和参考信号二U_r2并分别接第一功率合成器c与第二功率合成器d的端口二；第二功率分配器b的端口一接被测信号，其端口二、端口三分别输出被测信号一U_s1和被测信号二U_s2并分别接第一功率合成器c的端口三和90°移相器g，在第一功率合成器c的端口一处形成了第三信号接到第一固支梁结构e的信号输入端；90°移相器g的输出端输出被测信号二_U_s2′接到第二功率合成器d的端口三，在第二功率合成器d的端口一形成了第四信号，把第四信号接到第二固支梁结构f的信号输入端。

假设参考信号与被测信号的幅度已知，并且它们之间的频率相同，相位差为_。参考信号和被测信号分别通过第一功率分配器和第二功率分配器，它们各自产生两个信号，即形成了参考信号一～被测信号一(U_r1～U_s1)、参考信号二～被测信号二(U_r2～U_s2)两对信号，这两对信号的相位差与参考信号、被测信号之间的相位差相同，均为_，U_r1与U_r2的电压有效值相等，且为参考信号电压有效值的 U_s1与U_s2的电压有效值相等，且为被测信号电压有效值的

将U_r1～U_s1直接输入到第一功率合成器，如图1左半部分所示，由第一功率合成器得到一个新信号，称为第三信号，其大小由U_r1、U_s1及它们之间的相位差决定。第三信号在通过带有固支梁结构的CPW时，会产生静电力，从而将固支梁下拉，引起固支梁与传感电极之间电容发生变化，通过电容检测电路测出电容，其值是与第三信号电压的有效值的平方是一一对应的，这样就得到了第三信号电压有效值的平方这个数值，这样，由U_r1、U_s1及第三信号组成的三角形的三边长度都已知了，根据几何知识可知，三角形的形状也就确定下来了，根据余弦定理就可以确定U_r1、U_s1之间的相位差为|_|。

对于第二对信号，先将U_s2进行90°的移相，得到被测信号二_(U_s2′)，这样U_r2与U_s2′的相位差变为_+90°，然后将U_r2与U_s2′输入到第二功率合成器，如图1右半部分所示，根据上述方法，就可以确定U_r2与U_s2′的相位差为|_+90°|。由|_|及|_+90°|这两个值就可以在整个周期内唯一确定参考信号、被测信号之间的相位差_。

在传感电极旁边加两个支撑结构还可以实现微波相位的在线检测，其原理：在线检测时只需在测量前，先在传感电极上施加驱动控制信号，将固支梁下拉到支撑结构的高度，然后再进行如上所述的相位测量；不需要测量时，传感电极上没有驱动控制信号，固支梁距离共面波导较高，其插入损耗很小。正交双通道微波相位在线检测器的工艺步骤如下：

1)准备GaAs衬底：选用的是未掺杂的半绝缘砷化镓衬底，其厚度为100μm，

2)淀积TaN，

3)光刻并刻蚀TaN：形成功分器的匹配电阻，

4)光刻：去除在功率分配器、功率合成器、90°移相器、共面波导、传感电极、固支梁的桥墩等结构处的光刻胶，

5)溅射Au，剥离：形成功率分配器、功率合成器、四分之一波长CPW传输线的90°移相器、CPW、传感电极、固支梁的桥墩，Au的厚度为0.3μm，

6)溅射Ti/Au/Ti：溅射用于电镀支撑结构的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300埃，

7)光刻Ti/Au/Ti：保留不需要电镀的地方的光刻胶，

8)电镀Au：电镀Au的厚度为1μm，

9)反刻Au层，腐蚀底金层：形成支撑结构，

10)淀积SiN介质层：用PEVCD工艺生长1000埃的SiN介质层，

11)光刻并刻蚀SiN介质层：保留支撑结构、传感电极、传感电极引线与地线交界处、固支梁下方的CPW部分的SiN，

12)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在GaAs衬底上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了固支梁与共面波导信号线的距离。光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下的牺牲层，

13)溅射Ti/Au/Ti：溅射用于电镀功率分配器、功率合成器、90°移相器、CPW、固支梁等结构的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300埃，

14)光刻Ti/Au/Ti；保留不需要电镀的地方的光刻胶，

15)电镀Au：电镀Au的厚度为2μm，

16)去除光刻胶，

17)反刻Au层，腐蚀底金层：形成功率分配器、功率合成器、90°移相器、CPW、固支梁等结构，

18)释放牺牲层：用显影液溶解固支梁下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的固支梁。

区分是否为该结构的标准如下：

1、测量参考信号与被测信号的相位差是基于固支梁结构的，即第三信号产生静电力将固支梁下拉，引起电容的变化，由电容检测电路测出电容从而推出信号的相位差；

2、存在正交双通道结构——即存在两个通道，它们之间的相位差相差90°，可测相位差的范围达到了整个周期；

3、在固支梁结构的下方有支撑结构，由于支撑结构的存在，该微波相位检测器就实现在线测量，即当需要测量时，先在传感电极上施加驱动控制信号，将固支梁下拉到支撑结构的高度，不需要测量时固支梁较高，其插入损耗很小。

满足以上3个条件的结构即视为本发明的微电子机械正交双通道微波相位在线检测器。

Claims (3)

1、一种微电子机械正交双通道微波相位在线检测器，其特征在于第一功率分配器(a)的端口一接参考信号，第一功率分配器(a)的端口二、端口三分别输出参考信号一(U_r1)和参考信号二(U_r2)并分别接第一功率合成器(c)与第二功率合成器(d)的端口二；第二功率分配器(b)的端口一接被测信号，其端口二、端口三分别输出被测信号一(U_s1)和被测信号二(U_s2)并分别接第一功率合成器(c)的端口三和90°移相器(g)，在第一功率合成器(c)的端口一处形成了第三信号接到第一固支梁结构(e)的信号输入端；90°移相器(g)的输出端输出被测信号二_(U_s2′)接到第二功率合成器(d)的端口三，在第二功率合成器(d)的端口一形成了第四信号，把第四信号接到第二固支梁结构(f)的信号输入端。

2、如权利要求1所述的微电子机械正交双通道微波相位在线检测器，其特征在于该在线检测器以砷化镓为衬底(1)，在衬底(1)上有功率分配器、功率合成器、90°移相器、固支梁结构，功率分配器、功率合成器由共面波导构成的端口一(7)、端口二(8)、端口三(9)、不对称共面带线(10)、氮化钽电阻(2)组成；90°移相器直接采用四分之一波长线的共面波导传输线来实现；固支梁结构包括信号输入端口(16)、桥墩(5)、固支梁(13)、支撑结构(6)、传感电极(4)、传感电极引线(12)、电容检测端口(15)、空气桥(14)组成，在固支梁(13)下方的传输线、支撑结构(6)、传感电极(4)及空气桥(14)下方的传感电极引线(12)的上方有氮化硅介质层(11)。

3、一种如权利要求1所述的微电子机械正交双通道微波相位在线检测器的制备方法，其特征在于：

1)准备砷化镓衬底：选用的是未掺杂的半绝缘砷化镓衬底，其厚度为100μm，

2)淀积氮化钽，

3)光刻并刻蚀氮化钽，形成功分器的匹配电阻，

4)光刻：去除在功率分配器、功率合成器、90°移相器、共面波导、传感电极、固支梁的桥墩等结构处的光刻胶，

5)溅射金，剥离去除光刻胶：形成功率分配器、功率合成器、90°移相器、共面波导、传感电极、固支梁的桥墩，金的厚度为0.3μm，

6)溅射钛/金/钛：溅射用于电镀支撑结构的底金钛/金/钛＝500/1500/300埃，

7)光刻钛/金/钛：保留不需要电镀的地方的光刻胶，

8)电镀金：电镀金的厚度为1μm，

9)去除光刻胶，反刻金层，腐蚀底金层，形成支撑结构，

10)淀积氮化硅介质层：用等离子体增强化学气相淀积法工艺生长1000埃的氮化硅介质层，

11)光刻并刻蚀氮化硅介质层：保留支撑结构、传感电极、传感电极引线与地线交界处、固支梁下方的共面波导部分的氮化硅，

12)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了固支梁与共面波导信号线的距离，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下的牺牲层，

13)溅射钛/金/钛：溅射用于电镀功率分配器、功率合成器、90°移相器、共面波导、固支梁等结构的底金钛/金/钛＝500/1500/300埃，

14)光刻钛/金/钛：保留不需要电镀的地方的光刻胶，

15)电镀金：电镀金的厚度为2μm，

16)去除光刻胶，

17)反刻金层，腐蚀底金层，形成功率分配器、功率合成器、90°移相器、共面波导、固支梁等结构，

18)释放牺牲层：用显影液溶解固支梁下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的固支梁。

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