CN101059541A - 微电子机械微波频率检测器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

微电子机械微波频率检测器及其制备方法是一种结构非常简单，测量信号的幅度变大、不需要消耗直流功率，且便于集成的微电子机械微波频率检测器及其制备方法，该微电子机械微波频率检测器以砷化镓为衬底(1)，在衬底(1)上设有功率分配器(a)、功率合成器(b)、共面波导传输线(e)、固支梁结构(c)；被测信号通过功率分配器(a)产生两个信号，即形成了被测信号一～被测信号二(U_s1～U_s2)一对信号，被测信号一U_s1直接接到功率合成器(b)的第三端口；被测信号二U_s2先经过一段CPW传输线，再接到功率合成器(b)的第二端口，在功率合成器(b)的端口一得到第一信号，经由固支梁结构(c)得到微波信号在固定长度传输线上相移φ。

Description

微电子机械微波频率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)技术的微波频率检测器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

在微波研究中，微波频率是表征微波信号特征的一个重要参数，微波频率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。传统的微波频率检测器是基于二极管的，它的缺点需要消耗直流功率、测量的信号幅度比较小。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技术实现微波频率检测器成为可能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的微电子机械微波频率检测器及其制备方法，使得其结构非常简单，测量信号的幅度变大、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微波频率检测器以砷化镓为衬底，在衬底上设有功率分配器、功率合成器、共面波导传输线、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，端口一通过不对称共面带线分别接端口二、端口三，在与端口二、端口三相接的两不对称共面带线之间连接有氮化钽电阻；

固支梁结构以砷化镓为衬底、在衬底上的中间设有信号输入端口，在CPW的信号线的两旁分别设有CPW的地线，在CPW的地线外的两旁分别设有传感电极，传感电极通过传感电极引线接电容检测端口的一个端，CPW的地线接电容检测端口的另一个端，在传感电极外的两旁分别设有桥墩，在桥墩上设有固支梁，在固支梁下方CPW的信号线、CPW的地线、传感电极上表面设有氮化硅介质层。

被测信号加到功率分配器的端口一，在其端口二、端口三处产生了两个新的信号，即第一被测信号和第二被测信号；先将第二被测信号接到长度为L的共面波导传输线，然后将该共面波导传输线的另一端与第一被测信号分别接到功率合成器的端口三、端口二处，在功率合成器的端口一形成了第一信号，把该第一信号接到固支梁结构的信号输入端。CPW由CPW的地线、CPW的信号线共同组成。

微波信号通过固定长度的传输线会所产生一个相应的固定相移，当所产生的相移在0°～180°内时，信号的频率与所产生的相移是一一对应的，利用固支梁结构测出这个相移量就可以测出这个信号的频率。

假设被测微波信号的幅度已知，被测信号通过功率分配器产生了两个信号，即形成了被测信号一～被测信号二(U_s1～U_s2)，U_s1与U_s2是完全相同的两个信号，其电压幅度的有效值为被测信号电压有效值的

。U_s1传输到功率合成器的第三端口，U_r2通过一段长度为L的传输线，得到被测信号二_U_s2′，它与U_s1之间存在一个固定的相位差，这个相位差就是由长度为L的传输线产生的，将U_s2′接到功率合成器的第二端口。在功率合成器的第一端口得到一个新信号，称为第一信号，其大小由U_s2′、U_s1及它们之间的相位差决定。第一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，其值是与第一信号电压的有效值的平方是一一对应的，这样就得到了第一信号电压有效值的平方这个数值，由U_s2′、U_s1及第一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_s2′、U_s1之间的相位差为。由于与信号的频率是一一对应的，所以信号的频率也就可以测量出来。

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1输入，从端口2、3输出时为功率分配器；当从端口2、3输入，从端口1输出时为功率合成器。

微电子机械微波频率检测器的制备方法为：

1)准备砷化镓衬底；选用的是未掺杂的半绝缘砷化镓衬底，

2)淀积氮化钽，

3)光刻并刻蚀氮化钽，形成功率分配器、功率合成器的匹配电阻，即氮化钽电阻，

4)光刻；去除在功率分配器、功率合成器、共面波导传输线、传感电极、固支梁结构的桥墩结构处的光刻胶，

5)溅射金，剥离去除光刻胶；形成功率分配器、功率合成器、共面波导传输线、传感电极、固支梁结构的桥墩，金的厚度为0.3μm，

6)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，

7)光刻并刻蚀氮化硅介质层；保留固支梁下方CPW的信号线、CPW的地线、传感电极上的氮化硅，

8)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氮化硅介质层所在平面的距离，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下的牺牲层，

9)溅射钛/金/钛；溅射用于电镀功率分配器、功率合成器、共面波导传输线、固支梁的底金钛/金/钛＝500/1500/300埃，

10)光刻钛/金/钛；去除功率分配器、功率合成器、共面波导传输线、固支梁以外的光刻胶，

11)电镀金；电镀金的厚度为2μm，

12)去除光刻胶；

13)反刻金层，腐蚀底金层，形成功率分配器、功率合成器、共面波导传输线、固支梁，

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

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的技术的微波频率检测器具有以下显著的优点：

1、该结构由MEMS结构和微波功率合成及分配器，以及微波传输线构成，全部是无源器件，不需要消耗直流功率；

2、该结构与单片微波集成电路(MMIC)工艺完全兼容，便于集成；

3、被测量信号的动态范围得到很大提高；

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频率检测器无法比拟的，因此它具有很好的研究和应用价值。

附图说明

图1是微波频率检测器的原理图。

图2是功分器的正面俯视图。

图3是固支梁结构的正面俯视图及A-A面的剖视图。

图4微波信号在固定长度传输线上相移和其频率之间的关系图。

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，端口一6，端口二7，端口三8，不对称共面带线(ACPS)9，氮化硅(SiN)介质层10，传感电极引线11，MEMS膜即固支梁12，电容检测端口13，CPW的信号线14。

具体实施方式

本发明的微电子机械微波频率检测器是一种微波瞬时频率在线检测器，以GaAs衬底为衬底，具体实施方案如下：

在衬底1上设有功率分配器a、功率合成器b、共面波导传输线e、固支梁结构c：

功率分配器a、功率合成器b由共面波导构成的端口一6、端口二7、端口三8、不对称共面带线9、氮化钽电阻2组成，端口一6通过不对称共面带线9分别接端口二7、端口三8，在与端口二7、端口三8相接的两不对称共面带线9之间连接有氮化钽电阻2；

固支梁结构c以砷化镓为衬1、在衬底1上的中间设有CPW的信号线14，在CPW的信号线14的两旁分别设有CPW的地线3，在CPW的地线3外的两旁分别设有传感电极4，传感电极4通过传感电极引线11接电容检测端口13的一个端，CPW的地线3接电容检测端口13的另一个端，在传感电极4外的两旁分别设有桥墩5，在桥墩5上设有固支梁12，在固支梁12下方的CPW的信号线14、CPW的地线3、传感电极4表面设有氮化硅介质层10。

假设被测信号的幅度已知，被测信号通过功率分配器产生了两个信号，即形成了被测信号1～被测信号2(U_s1～U_s2)，U_s1与U_s2是完全相同的两个信号，其电压幅度的有效值为被测信号电压有效值的

。U_s1直接接到功率合成器的第三端口，U_r2通过一段长度为L的传输线，得到被测信号二_(U_s2′)，它与U_s1之间存在一个固定的相位差，这个相位差就是由长度为L的传输线产生的，将U_s2′接到功率合成器的第二端口。在功率合成器的第一端口得到一个新信号，称为第一信号，其大小由U_s2′、U_s1及它们之间的相位差决定。第一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，其值是与第一信号电压的有效值的平方是一一对应的，这样就得到了第一信号电压有效值的平方这个数值，由U_s2′、U_s1及第一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_s2′、U_s1之间的相位差为。由于与信号的频率是一一对应的，所以信号的频率也就可以测量出来。

CPW由CPW的地线3、CPW的信号线14共同组成。

微波频率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，

2)淀积TaN，

3)光刻并刻蚀TaN，形成功率分配器、功率合成器的匹配电阻，

4)光刻；去除在功率分配器、功率合成器、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、CPW、传感电极、MEMS膜的桥墩，Au的厚度为0.3μm，

6)淀积SiN介质层；用PEVCD工艺生长1000埃的SiN介质层，

7)光刻并刻蚀SiN介质层；保留固支梁下方CPW的信号线、CPW的地线、传感电极上的SiN，

8)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氮化硅介质层所在平面的距离。光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS膜下的牺牲层，

9)溅射Ti/Au/Ti；溅射用于电镀功率分配器、功率合成器、CPW、MEMS膜等结构的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300埃，

10)光刻Ti/Au/Ti；去除功率分配器、功率合成器、共面波导传输线、固支梁以外的光刻胶，

11)电镀Au；电镀Au的厚度为2μm，

12)去除光刻胶，

13)反刻Au层，腐蚀底金层，形成功率分配器、功率合成器、CPW、MEMS膜等结构，

14)释放牺牲层；用显影液溶解MEMS膜下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的MEMS膜结构。

区分是否为该结构的标准如下：

测量被测信号的频率是基于固支梁结构的，即第一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，从而推出相位差，再有相位差反映其频率。

满足以上条件的结构即视为本发明的微电子机械微波频率检测器。

Claims (2)

1、一种微电子机械微波频率检测器，其特征在于该检测器以砷化镓为衬底(1)，在衬底(1)上设有功率分配器(a)、功率合成器(b)、共面波导传输线(e)、固支梁结构(c)：

功率分配器(a)、功率合成器(b)由共面波导构成的端口一(6)、端口二(7)、端口三(8)、不对称共面带线(9)、氮化钽电阻(2)组成，端口一(6)通过不对称共面带线(9)分别接端口二(7)、端口三(8)，在与端口二(7)、端口三(8)相接的两不对称共面带线(9)之间连接有氮化钽电阻(2)；

固支梁结构(c)以砷化镓为衬底(1)、在衬底(1)上的中间设有CPW的信号线(14)，在CPW的信号线(14)的两旁分别设有CPW的地线(3)，在CPW的地线(3)外的两旁分别设有传感电极(4)，传感电极(4)通过传感电极引线(11)接电容检测端口(13)的一个端，CPW的地线(3)接电容检测端口(13)的另一个端，在传感电极(4)外的两旁分别设有桥墩(5)，在桥墩(5)上设有固支梁(12)，在固支梁(12)下方的CPW的信号线(14)、CPW的地线(3)、传感电极(4)表面设有氮化硅介质层(10)。

2、一种如权利要求1所述的微电子机械微波频率检测器的制备方法，其特征在于制备方法为：

1)准备砷化镓衬底(1)；选用的是未掺杂的半绝缘砷化镓衬底，

2)淀积氮化钽，

3)光刻并刻蚀氮化钽，形成功率分配器、功率合成器的匹配电阻，即氮化钽电阻(2)，

4)光刻；去除在功率分配器(a)、功率合成器(b)、共面波导传输线(e)、传感电极(4)、固支梁结构(c)的桥墩(5)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(a)、功率合成器(b)、共面波导传输线(e)、传感电极(4)、固支梁结构(c)的桥墩(5)，金的厚度为0.3μm，

6)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(10)，

7)光刻并刻蚀氮化硅介质层；保留固支梁(12)下方CPW的信号线(14)、CPW的地线(3)、传感电极(4)上的氮化硅，

8)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(12)与氮化硅介质层(10)所在平面的距离，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁(12)下的牺牲层，

9)溅射钛/金/钛；溅射用于电镀功率分配器、功率合成器、共面波导传输线、固支梁结构的底金钛/金/钛＝500/1500/300埃，

10)光刻钛/金/钛；去除功率分配器、功率合成器、共面波导传输线、固支梁以外的光刻胶，

11)电镀金；电镀金的厚度为2μm，

12)去除光刻胶，

13)反刻金层，腐蚀底金层，形成功率分配器、功率合成器、共面波导传输线、固支梁，

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

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