CN101332971B - 基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器及制备方法 - Google Patents

Abstract

基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器及制备方法利用多层材料梁释放后存在的残余应力，使梁产生向上弯曲，从而在不检测时获得极低的插入损耗。通过改变悬臂梁的长度以及宽度，就可以改变微波功率耦合器的耦合度；将终端电阻制作成半环状，将热电堆的热端嵌入其中，进一步提高传热效率。该微波功率检测器实现了微波功率的通过式检测。微波功率检测器以砷化镓为衬底，在砷化镓衬底上有一层铝镓砷薄膜，从左至右分别为基于悬臂梁结构的微波功率耦合器和微波功率传感器。微波功率耦合器包括CPW地线、中心信号线、下拉电极、介质层、悬臂梁、悬臂梁锚区。微波功率传感器包括CPW地线、中心信号线、终端电阻、热电堆、压焊块、金属散热片。

Description

基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器及制备方法

技术领域

本发明提出了一种基于悬臂梁的通过式微波功率检测器及其制备方法，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术

微波功率是表征微波信号特性的重要参数之一，如标定微波发射机的输出功率、测量微波接收机的灵敏度以及确定放大器的增益等参数，都离不开微波功率的测量。在直流和低频段，电信号的功率可由测量它的电压、电流得到，但是到了射频/微波频段，信号以波的形式存在，电压、电流已经失去了意义，信号功率的测量都是经过其他间接方法得到的。总的看来，这些用来测量微波信号功率的方法的思路都是使用一种器件(即微波功率传感器)把微波功率转化为可方便测量的低频信号，通过测量此低频信号的某些参量来得到待测微波信号的功率。

微电子机械系统(MEMS)技术的飞速发展使得MEMS微波功率传感器的出现成为可能，其原理是：终端电阻吸收待测的微波功率并将其转化为焦耳热，从而在热电堆两端产生温差，热电堆的输出端便会输出基于塞贝克效应而产生的热电势，用该热电势表征输入的微波功率。在该功率传感器的前端制作了微波功率耦合器，使得微波功率通过式检测成为可能。与传统的功率计相比较，基于MEMS技术的微波功率传感器具有许多独特的优点，如体积小、结构简单、损耗小、灵敏度高、与硅(Si)工艺或砷化镓(GaAs)工艺相兼容等，本发明即为基于此工作原理的检测器。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于MEMS技术悬臂梁通过式微波功率检测器及其制备方法。利用多层材料梁释放后存在的残余应力，使梁产生向上弯曲，从而在不检测时获得极低的插入损耗。通过改变悬臂梁的长度以及宽度，就可以改变微波功率耦合器的耦合度；将终端电阻制作成半环状，将热电堆的热端嵌入其中，进一步提高传热效率。该微波功率检测器实现了微波功率的通过式检测。

技术方案：本发明提出的基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器以砷化镓为衬底，在砷化镓衬底上设一层铝镓砷薄膜，在铝镓砷薄膜的上表面设有基于悬臂梁结构的微波功率耦合器和微波功率传感器。微波功率耦合器包括第一CPW地线、中心信号线、介质层、下拉电极、悬臂梁、悬臂梁锚区，铬金属层；其中，第一CPW地线、中心信号线、下拉电极顺序并排排列，中心信号线、下拉电极上表面的中部设有介质层，悬臂梁固定在中心信号线上的悬臂梁锚区处，在悬臂梁的上表面设有铬金属层，悬臂梁的活动端位于介质层的上方。微波功率传感器包括第二CPW地线、中心信号线、终端电阻、热电堆、压焊块、金属散热片；其中，中心信号线横向位于中间，中心信号线通过终端电阻分别与两侧的第二CPW地线连接，热电堆位于终端电阻与金属散热片之间。

基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器的制备方法为：

步骤1.准备砷化镓衬底，使用未掺杂的砷化镓，厚度为500μm；

步骤2.外延生长铝镓砷薄膜，用作腐蚀自停止层，厚度为1000

步骤3.在铝镓砷薄膜上制备热电堆：外延生长砷化镓，生长范围为热电堆砷化镓臂，厚度为0.25μm；溅射金锗镍/金，生长热电堆金属臂，金锗镍/金的厚度为300/1800

步骤4.在铝镓砷薄膜上淀积氮化钽形成终端电阻，淀积厚度为2μm；在铝镓砷薄膜上溅射并光刻钛/金/钛，溅射范围为共面波导传输线即第一CPW地线、中心信号线、第二CPW地线、中心信号线、金属散热片、下拉电极，溅射厚度为500/1500/300

步骤5.电镀金，电镀范围为共面波导传输线、金属散热片、下拉电极，厚度为2μm；

步骤6.在中心信号线、下拉电极上表面的中部淀积SiN介质层，厚度为1000

步骤7.淀积聚酰亚胺牺牲层，厚度为1.6μm；

步骤8.在聚酰亚胺层上采用热蒸发工艺淀积0.5μm的铝层，在铝层上采用电子束蒸发工艺淀积0.1μm的铬金属层；

步骤9.释放聚酰亚胺牺牲层，形成悬臂梁结构；

步骤10.减薄砷化镓衬底至100μm并背面刻蚀至铝镓砷薄膜。

有益效果：通过控制MEMS悬臂梁在Up态与Down态之间的转换，就可以实现微波功率的通过式检测。在Up态下，悬臂梁向上弯曲，远离中心信号线，几乎不耦合中心信号线上的微波功率，微波功率耦合器的插入损耗小；在Down态，微波功率耦合器的耦合度大小主要由MEMS悬臂梁结构的C_down电容决定，易于改变耦合度。此外，终端电阻制作成半环状，使热电堆的热端嵌入其中，提高了传热效率，从而提高了灵敏度。该基于MEMS悬臂梁通过式微波功率检测器的工艺与传统GaAs工艺兼容，增加了本发明的实用性。

区分是否为该结构的标准如下：

1.微波功率耦合器的CPW中心信号线上方制作了向上弯曲的悬臂梁，并通过悬臂梁对微波信号进行耦合，改变耦合度的方式是通过改变悬臂梁与中心信号线交叠区的长度以及悬臂梁的宽度来实现的；

2.终端电阻制作成半环状，将热电堆的热端嵌入其中。

满足以上2个条件的结构即视为基于微电子机械技术的悬臂梁通过式微波功率检测器。

附图说明

图1是基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器的俯视图；

图2是基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器在Up态下的A-A面剖视图；

图3是基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器在Down态下的A-A面剖视图；

图4是基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器的工艺流程图。图4-1准备砷化镓衬底，图4-2外延生长铝镓砷薄膜，图4-3外延生长砷化镓，图4-4溅射金锗镍/金，图4-5淀积氮化钽形成终端电阻，图4-6溅射并光刻钛/金/钛，图4-7电镀金，图4-8淀积SiN介质层，图4-9淀积聚酰亚胺牺牲层，图4-10淀积铝层、铬层，图4-11释放聚酰亚胺牺牲层，图4-12减薄衬底并背面刻蚀，

图5是悬臂梁处于Down态时的耦合度(交叠区长、宽分别为1μm、80μm)。

图6是输出热电势随输入功率的变化图(微波功率传感器部分尺寸为：地线宽142μm，槽宽58μm，中心信号线宽100μm，热电偶长度为80μm，热电偶距终端电阻5μm，对数为6。)

图中包括：

微波功率耦合器：第一CPW地线1-1、中心信号线1-2、介质层1-3、下拉电极1-4、悬臂梁1-5、悬臂梁锚区1-6、铬金属层1-7；

微波功率传感器：第二CPW地线2-1、中心信号线2-2、终端电阻2-3、热电堆2-4、压焊块2-5、金属散热片2-6；

砷化镓衬底3、铝镓砷薄膜4。

具体实施方式

本发明提出的微波功率检测器包含两部分：基于悬臂梁结构的微波功率耦合器和微波功率传感器。其俯视图如图1所示。

如图1所示的微波功率检测器，该微波功率检测器以砷化镓3为衬底，在砷化镓衬底上设一层铝镓砷薄膜4，在铝镓砷薄膜4的上表面设有基于悬臂梁结构的微波功率耦合器和微波功率传感器。微波功率耦合器包括第一CPW地线1-1、中心信号线1-2、介质层1-3、下拉电极1-4、悬臂梁1-5、悬臂梁锚区1-6，铬金属层1-7；其中，第一CPW地线1-1、中心信号线1-2、下拉电极1-4顺序并排排列，中心信号线1-2、下拉电极1-4上表面的中部设有介质层1-3，悬臂梁1-5固定在中心信号线2-2上的悬臂梁锚区1-6处，在悬臂梁1-5的上表面设有铬金属层1-7，悬臂梁1-5的活动端位于介质层1-3的上方。微波功率传感器包括第二CPW地线2-1、中心信号线2-2、终端电阻2-3、热电堆2-4、压焊块2-5、金属散热片2-6；其中，中心信号线2-2横向位于中间，中心信号线2-2通过终端电阻2-3分别与两侧的第二CPW地线2-1连接，热电堆2-4位于终端电阻2-3与金属散热片2-6之间。

左端的微波功率耦合器根据悬臂梁下拉与否可以分为Up态和Down态。当下拉电极上没加下拉电压时，悬臂梁悬浮于中心信号线上，微波功率耦合器处于Up态，如图2所示；当下拉电极上施加一定下拉电压时，悬臂梁下拉并与中心信号线上的介质层接触，微波功率耦合器处于Down态，如图3所示。当微波功率耦合器处于Up态时，由于悬臂梁向上弯曲，离中心信号线较远，对CPW上传输的微波信号没有影响，所以几乎不耦合中心信号线上的功率，因而插入损耗极小；当微波功率耦合器处于Down态时，悬臂梁末端、介质层、中心信号线构成一MIM(金属-绝缘体-金属)电容，微波功率可以通过此MIM电容耦合到微波功率传感器，终端电阻吸收微波功率并将其转化为焦耳热，从而在热电堆两端产生温差，热电堆的输出端(压焊块)便会输出基于塞贝克效应而产生的热电势，从而实现微波功率的测量。

当施加驱动电压使MEMS悬臂梁处于Down态时，中心信号线、介质层、悬臂梁构成电容C_down，终端电阻上所消耗的微波功率即为该电容耦合出的功率。通过改变该电容的值可以改变耦合出的微波功率的大小，即耦合度。C_down主要由悬臂梁和CPW中心信号线交叠面积决定，因此，改变悬臂梁与中心信号线交叠区的长度以及悬臂梁的宽度就可以实现不同耦合度的要求。

与传统的微波功率传感器的终端电阻构造形式不同，该发明将终端电阻制作成半环状，使热电堆的热端嵌入其中，改善传热效率，从而能够提高热端的温度，进而提高传感器的灵敏度。

通过控制微波功率耦合器在Up态与Down态之间的转换来实现微波功率的通过式检测，通过控制悬臂梁与CPW中心信号线交叠区域面积的大小来改变微波功率的耦合度。

本发明提出了一种基于微电子机械技术的悬臂梁通过式微波功率检测器，通过微波功率耦合器在Up态与Down态之间的转换来决定是否耦合功率，微波功率传感器的终端电阻吸收耦合的微波功率并将其转化为焦耳热，从而在热电堆两端产生温度差，热电堆输出端输出基于塞贝克效应的热电势。金属散热片使热电堆冷端温度保持恒定。本发明制备工艺与GaAs单片微波集成电路(MMIC)工艺相兼容，具体工艺步骤如下：

1.准备砷化镓衬底，使用未掺杂的砷化镓，厚度为500μm；

2.外延生长铝镓砷薄膜，用作腐蚀自停止层，厚度为1000

3.外延生长砷化镓，生长范围为热电堆砷化镓臂，厚度为0.25μm；

4.溅射金锗镍/金，生长热电堆金属臂，金锗镍/金的厚度为300/1800

5.淀积氮化钽形成终端电阻，淀积厚度为2μm；

6.溅射并光刻钛/金/钛，溅射范围为共面波导传输线、金属散热片、下拉电极，溅射厚度为500/1500/300

7.  电镀金，电镀范围为波导传输线、金属散热片、下拉电极，厚度为2μm；

8.淀积SiN介质层，厚度为1000

9.淀积聚酰亚胺牺牲层，厚度为1.6μm；

10.在聚酰亚胺层上采用热蒸发工艺淀积0.5μm的铝层，在铝层上采用电子束蒸发工艺淀积0.1μm的铬层；

11.释放聚酰亚胺牺牲层，形成悬臂梁结构；

12.减薄衬底至100μm并背面刻蚀至铝镓砷阻挡层。

Claims (2)

1.一种基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器，其特征在于该微波功率检测器以砷化镓(3)为衬底，在砷化镓衬底上设一层铝镓砷薄膜(4)，在铝镓砷薄膜(4)的上表面设有基于悬臂梁结构的微波功率耦合器和微波功率传感器；微波功率耦合器包括第一CPW地线(1-1)、第一中心信号线(1-2)、介质层(1-3)、下拉电极(1-4)、悬臂梁(1-5)、悬臂梁锚区(1-6)，铬金属层(1-7)；其中，第一CPW地线(1-1)、第一中心信号线(1-2)、下拉电极(1-4)顺序并排排列，第一中心信号线(1-2)、下拉电极(1-4)上表面的中部设有介质层(1-3)，悬臂梁(1-5)固定在第二中心信号线(2-2)上的悬臂梁锚区(1-6)处，在悬臂梁(1-5)的上表面设有铬金属层(1-7)，悬臂梁(1-5)的活动端位于介质层(1-3)的上方；微波功率传感器包括第二CPW地线(2-1)、第二中心信号线(2-2)、终端电阻(2-3)、热电堆(2-4)、压焊块(2-5)、金属散热片(2-6)；其中，第二中心信号线(2-2)横向位于中间，第二中心信号线(2-2)通过终端电阻(2-3)分别与两侧的第二CPW地线(2-1)连接，热电堆(2-4)位于终端电阻(2-3)与金属散热片(2-6)之间；终端电阻(2-3)制作成半环状，将电热堆(2-4)的热端嵌入其中，在微波功率耦合器的第一中心信号线上方悬臂梁向上弯曲。

2.一种如权利要求1所述的基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器的制备方法，其特征在于制备方法为：

步骤1.准备砷化镓(3)衬底，使用未掺杂的砷化镓，厚度为500μm；

步骤2.外延生长铝镓砷薄膜(4)，用作腐蚀自停止层，厚度为

步骤3.在铝镓砷薄膜(4)上制备热电堆(2-4)：外延生长砷化镓，生长范围为热电堆砷化镓臂，厚度为0.25μm；溅射金锗镍/金，生长热电堆金属臂，金锗镍/金的厚度为300/

步骤4.在铝镓砷薄膜(4)上淀积氮化钽形成终端电阻(2-3)，淀积厚度为2μm；在铝镓砷薄膜(4)上溅射并光刻钛/金/钛，溅射范围为共面波导传输线即第一CPW地线(1-1)、第一中心信号线(1-2)、第二CPW地线(2-1)、第二中心信号线(2-2)、金属散热片(2-6)、下拉电极(1-4)，溅射厚度为500/1500/

步骤5.电镀金，电镀范围为共面波导传输线、金属散热片(2-6)、下拉电极(1-4)，厚度为2μm；

步骤6.在第一中心信号线(1-2)、下拉电极(1-4)上表面的中部淀积SiN介质层(1-3)，厚度为

步骤7.淀积聚酰亚胺牺牲层，厚度为1.6μm；

步骤8.在聚酰亚胺层上采用热蒸发工艺淀积0.5μm的铝层，在铝层上采用电子束蒸发工艺淀积0.1μm的铬金属层(1-7)；

步骤9.释放聚酰亚胺牺牲层，形成悬臂梁结构；

步骤10.减薄砷化镓(3)衬底至100μm并背面刻蚀至铝镓砷薄膜(4)。

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