CN101135704A

CN101135704A - 微电子机械微波信号相位检测器及其制备方法

Info

Publication number: CN101135704A
Application number: CNA2007101326925A
Authority: CN
Inventors: 廖小平; 焦水昌
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2007-09-18
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2027-09-18
Also published as: CN100510758C

Abstract

微电子机械微波信号相位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信号相位检测器及其制备方法，该微电子机械微波频率检测器在衬底(1)上设有第一固支梁结构(a)、第二固支梁结构(b)、第三固支梁结构(c)、第四固支梁结构(d)、第一功率分配器(e)、第二功率分配器(f)、第一功率合成器(g)、第二功率合成器(h)、第一45°移相器(i)、第二45°移相器(j)；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。

Description

微电子机械微波信号相位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)技术的微波信号相位检测器，属于微电子机械系统的技术领域。

背景技术

在微波研究中，微波信号相位是表征微波信号特征的一个重要参数，微波信号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。传统的微波信号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：要求知道测量信号的幅度且其值比较小、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技术实现微波信号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技术的微电子机械微波信号相位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信号相位检测器，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，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也与之一一对应，这样就测出了微波信号之间的相位差。

微电子机械微波信号相位检测器以砷化镓为衬底，在衬底上设有第一固支梁结构、第二固支梁结构、第三固支梁结构、第四固支梁结构、第一功率分配器、第二功率分配器、第一功率合成器、第二功率合成器、第一45°移相器、第二45°移相器：其中：

在衬底上的中间设有CPW的信号线，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，在固支梁下方的CPW的信号线、CPW的地线、传感电极表面设有氮化硅介质层；

第一功率分配器、第二功率分配器、第一功率合成器、第二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；第一45°移相器、第二45°移相器由一定长度的CPW的地线、CPW的信号线共同组成。

本发明的微电子机械微波信号相位检测器的结构为：参考信号通过第一固支梁结构与第一功率分配器的端口一相接，第一功率分配器的端口二、端口三分别输出参考信号一U_r1和参考信号二U_r2并分别接第二45°移相器与第一功率合成器的端口二；被测信号通过第二固支梁结构与第二功率分配器的端口一相接，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并分别接第二功率合成器的端口三和第一45°移相器，第一45°移相器的输出端输出被测信号二-U′_s2接到第一功率合成器的端口三，在第一功率合成器的端口一处形成了第三信号接到第三固支梁结构的信号输入端；第二45°移相器的输出端输出参考信号一-U＇_r1接到第二功率合成器的端口二，在第二功率合成器的端口一形成了第四信号，把第四信号接到第四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、45°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；45°移相器直接采用一定长度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频率相同但幅度未知，其相位差为。参考信号通过第一固支梁结构，再由第一功率分配器产生两个信号，被测信号通过第二固支梁结构，再由第二功率分配器产生两个信号，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

，参考信号和被测信号的电压有效值分别由第一固支梁结构和第二固支梁结构得到。

对于第一对信号，先将U_r1进行45°的移相，得到参考信号一-U′_r1，这样U′_r1与U_s1的相位差变为+45°，然后将U′_r1与U_s1输入到第二功率合成器，在其端口一处得到了第四信号，如图1右半部分所示，第四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，其值是与第四信号电压的有效值的平方是一一对应的，这样就得到了第四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|+45°|。

对于第二对信号，先将U_s2进行45°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-45°，然后将U_r2与U′_s2输入到第一功率合成器，如图1左半部分所示，根据上述方法，就可以确定U_r2与U′_s2的相位差为|-45°|。由|+45°|及|+45°|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。

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、三输出时为功率分配器；当从端口二、三输入，从端口一输出时为功率合成器。

微电子机械微波信号相位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、45°移相器、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、45°移相器、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、45°移相器、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、45°移相器、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、45°移相器、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：与现有的微波信号相位检测器相比，这种新型的基于MEMS的技术的微波信号相位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；

4、弱化了对被测信号的要求，只需要被测信号与参考信号的频率相同，不需要知道其幅度的大小；

5、减小了固支梁结构测量功率不精确的影响；

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是微波信号相位检测器的原理图。

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第三信号、第四信号电压有效值与相位差的关系图。

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，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信号相位检测器以GaAs衬底为衬底，具体实施方案如下：

在衬底1上设有第一固支梁结构a、第二固支梁结构b、第三固支梁结构c、第四固支梁结构d、第一功率分配器e、第二功率分配器f、第一功率合成器g、第二功率合成器h、第一45°移相器i、第二45°移相器j：

第一固支梁结构a、第二固支梁结构b、第三固支梁结构c、第四固支梁结构d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

第一功率分配器e、第二功率分配器f、第一功率合成器g、第二功率合成器h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；

第一45°移相器i、第二45°移相器j由一定长度的CPW的地线3、CPW的信号线14共同组成。

假设参考信号与被测信号频率相同但幅度未知，其相位差为。参考信号通过第一固支梁结构，再由第一功率分配器产生两个信号，被测信号通过第二固支梁结构，再由第二功率分配器产生两个信号，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，参考信号和被测信号的电压有效值分别由第一固支梁结构和第二固支梁结构得到。

对于第一对信号，先将U_r1进行45°的移相，得到参考信号一-(U′_r1)，这样U′_r1与U_s1的相位差变为+45°，然后将U′_r1与U_s1输入到第二功率合成器，在其端口一处得到了第四信号，如图1右半部分所示，第四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，其值是与第四信号电压的有效值的平方是一一对应的，这样就得到了第四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|+45°|。

对于第二对信号，先将矶：进行45°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-45°，然后将U_r2与U′_s2输入到第一功率合成器，如图1左半部分所示，根据上述方法，就可以确定U_r2与U′_s2的相位差为|-45°|。由|+45°|及|+45°|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。

CPW由CPW的地线3、CPW的信号线14共同组成。

微波信号相位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、45°移相器、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、45°移相器、传感电极、固支梁的桥墩，Au的厚度为0.3/μm，

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1.6/μm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Ti/Au/Ti；溅射用于电镀功率分配器、功率合成器、45°移相器、固支梁等结构的底金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、45°移相器、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、45°移相器、固支梁等结构，

14)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，形成悬浮的固支梁结构。

区分是否为该结构的标准如下：

1、参考信号和被测信号的幅度可以未知，它们可由第一固支梁结构和第二固支梁结构测出；

2、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、第四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；

3、存在双通道结构——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；

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

1.一种微电子机械微波信号相位检测器，其特征在于该检测器以砷化镓为衬底(1)，在衬底(1)上设有第一固支梁结构(a)、第二固支梁结构(b)、第三固支梁结构(c)、第四固支梁结构(d)、第一功率分配器(e)、第二功率分配器(f)、第一功率合成器(g)、第二功率合成器(h)、第一45°移相器(i)、第二45°移相器(j)：其中：

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)；

第一功率分配器(e)、第二功率分配器(f)、第一功率合成器(g)、第二功率合成器(h)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)；

第一45°移相器(i)、第二45°移相器(j)由一定长度的CPW的地线(3)、CPW的信号线(14)共同组成。

2.一种如权利要求1所述的微电子机械微波信号相位检测器的制备方法，其特征在于制备方法为：

1)准备砷化镓衬底：选用的是未掺杂的半绝缘砷化镓衬底，

2)淀积氮化钽，

4)光刻：去除在功率分配器、功率合成器、45°移相器、传感电极、固支梁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、45°移相器、传感电极、固支梁的桥墩，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、45°移相器、固支梁结构的底金钛/金/钛＝500/1500/300埃，

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45°移相器、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。