CN101414701A - 微电子机械悬臂梁式微波功率耦合器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
微电子机械悬臂梁式微波功率耦合器及其制备方法,通过制作不同尺寸的MEMS悬臂梁结构,在宽度W一定的时候,控制悬臂梁的长度L,就可以改变微波功率耦合器的耦合度。在衬底(1)上并排顺序设有第一CPW地线(31)、CPW中心信号线(2)、下拉电极(9),在下拉电极(9)的两端分别设有第二CPW地线(32)、第三CPW地线(33),第一氮化硅介质层(5)覆盖在下拉电极(9)上,第二氮化硅介质层(8)覆盖在CPW中心信号线(2)上;悬臂梁(4)的一端通过悬臂梁的锚区(6)连接在输出端CPW信号线(7)上,另一端位于第一氮化硅介质层(5)、第二氮化硅介质层(8)的上方。
Description
技术领域
本发明提出了一种基于悬臂梁式的微波功率耦合器及其制备方法,属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
微波功率耦合器是微波测量以及其它微波系统中的常用器件,我们通常使用定向耦合器对微波功率进行耦合。定向耦合器是一种具有方向性的微波功率分配器件,通常有波导、同轴线、带状线及微带线等几种类型。定向耦合器包含主线和副线两部分,在主线中传输的微波功率通过小孔或间隙等耦合途径,将一部分功率耦合到副线中去。对于X到K波段的微波信号常常使用微带线耦合器。
通过对现有技术文献的检索发现,微带线耦合器的缺点在于只要主线上有信号,副线上就存在耦合的信号。在主线工作的时候,总是会有一定的功率被耦合到副线,造成不必要的损耗。同时,副线对于主线也存在一定的信号反馈。
本发明提供一种基于MEMS技术的悬臂梁式的微波功率耦合器及其制备方法,可以很好地解决在微带线耦合器中所出现的问题。同时,基于MEMS技术的悬臂梁式微波功率耦合器的工艺与传统MMIC工艺兼容。另外本发明具有在X到K波段内的插入损耗小,隔离度高等优点。满足高性能的微波集成电路的应用要求。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的悬臂梁式的微波功率耦合器及其制备方法,通过制作不同尺寸的MEMS悬臂梁结构,在宽度W一定的时候,控制悬臂梁的长度L,就可以改变微波功率耦合器的耦合度。
技术方案:本发明提出的基于悬臂梁式的微波功率耦合器,包括一个MEMS悬臂梁和CPW的微波信号传输线,整个悬臂梁式微波功率耦合器的俯视图如图1所示。图2与图3分别是悬臂梁式微波功率耦合器处于Up态与Down态下的A-A面剖视图。
该微波功率耦合器以砷化镓为衬底,在衬底上并排顺序设有第一CPW地线、CPW中心信号线、下拉电极,在下拉电极的两端分别设有第二CPW地线、第三CPW地线,第一氮化硅介质层覆盖在下拉电极上,第二氮化硅介质层覆盖在CPW中心信号线上;悬臂梁的一端通过悬臂梁的锚区连接在输出端CPW信号线上,悬臂梁的另一端位于第一氮化硅介质层)、第二氮化硅介质层的上方;与悬臂梁连接的CPW中心信号线、CPW地线、悬臂梁、锚区、输出端CPW信号线和下拉电极均采用金制作;不施加下拉电压时,悬臂梁悬置于CPW中心信号线上,当施加下拉电压后,悬臂梁下拉至悬臂梁的末端与第二氮化硅介质层接触,此时,悬臂梁末端、CPW中心信号线和第二氮化硅介质层构成一个金属-绝缘体-金属MIM电容,微波信号通过此MIM电容耦合到输出端,微波功率耦合器处于Down态。
该方法具体包括以下步骤:
第一步.准备衬底:选用未掺杂的砷化镓作为衬底;
第二步.光刻形成第一层金属的光刻胶;
第五步.在中心信号线以及输出端CPW信号线之间淀积聚酰亚胺牺牲层,淀积1.6微米厚的聚酰亚胺牺牲层,并且光刻形成悬臂梁的结构;
第六步.在不需要电镀的地方制作光刻胶;
第八步.在底金Ti/Au/Ti上电镀Au层;
第十步.反刻Ti/Au/Ti层,并释放聚酰亚胺牺牲层,形成悬空的悬臂梁结构。
有益效果:本发明只需要简单的控制MEMS悬臂梁的Up与Down态,就可以达到实现微波功率的耦合。整个微波功率耦合器的耦合度大小主要由MEMS悬臂梁结构的Cdown电容决定,本发明中的微波功率耦合器的结构,突破了传统的微带线耦合器思维限制。该基于MEMS悬臂梁式微波功率耦合器的工艺与传统GaAsMMIC工艺兼容,增加了本发明的实用性;另外本发明由于使用金作为CPW信号线材料以及采用GaAs作为衬底,具有频率范围宽、灵敏度高、微波条件下的损耗小等优点。
附图说明
图1是悬臂梁式微波功率耦合器的俯视图;
图2是悬臂梁式微波功率耦合器处于Up态下的A-A面剖视图;
图3是悬臂梁式微波功率耦合器处于Down态下的A-A面剖视图;
图4是悬臂梁式微波功率耦合器处于Up态下的S参数;
图5是悬臂梁式微波功率耦合器处于Down态下的S参数;
图6-1~6=10是制作过程的流程图。
以上图中有:GaAs衬底1,CPW中心信号线2,第一CPW地线31、第二CPW地线32、第三CPW地线33,悬臂梁4,第一氮化硅介质层5,悬臂梁的锚区6,输出端CPW信号线7,第二氮化硅介质层8以及下拉电极9,Au/GeNi/Au层10,光刻胶11,聚酰亚胺牺牲层12,Ti/Au/Ti层13。
具体实施方式
如图1所示的MEMS悬臂梁式微波功率耦合器以砷化镓为衬底,与悬臂梁连接的CPW中心信号线2、第一CPW地线31、第二CPW地线32、第三CPW地线33、悬臂梁4、锚区6、输出端CPW信号线7和下拉电极9均采用金制作,覆盖在下拉电极9和CPW中心信号线2上的是第一氮化硅介质层5和第二氮化硅介质层8。如果不施加下拉电压(注:下拉电压由连接至下拉电极9的金属线或电阻偏置线施加,),悬臂梁4悬浮于CPW中心信号线2上,基本不耦合微波信号,此时微波功率耦合器处于Up态,如图2所示。当施加下拉电压后,下拉电极9和悬臂梁4之间由于电压差产生静电力吸引,使悬臂梁4下拉,直至悬臂梁4的末端与第二氮化硅介质层8接触,如图3所示。此时,悬臂梁4末端、CPW中心信号线2和第二氮化硅介质层8构成一个MIM(金属-绝缘体-金属)电容,该电容值一般为几到几十个pF,微波信号可以通过此MIM电容耦合到输出端,微波功率耦合器处于Down态。
如图2所示的电路,当微波功率耦合器处于Up态时,MEMS悬臂梁式微波功率耦合器的MEMS悬臂梁与CPW中心信号线间的电容值为Cup;当施加驱动电压使MEMS悬臂梁处于Down态时,此时电容值为Cdown。由于微波功率耦合器所耦合出来的功率与Cdown有很大的关系,因此,调节Cdown,可以改变微波功率耦合器的耦合度。在Down态下,Cdown主要由悬臂梁和CPW中心信号线交叠面积决定,因此,对于不同的耦合度的要求,无须改变悬臂梁的宽度W,只需在设计的时候简单的改变悬臂梁的长度L即可。
通过以上的分析可以看出,本发明提出的MEMS悬臂梁式微波功率耦合器只需要为悬臂梁施加一定的电压,就可以将使端口3和CPW中心信号线之间形成一个微波耦合通路,从而使信号顺利耦合到端口3。其Down态与Up态下的S参数如图4和图5所示。图4中,S11为回波损耗,S21为插入损耗,S31为耦合度,S31在10GHz处为-10dB,耦合的功率约为CPW中心信号线上的功率的10%。图5中,S11为回波损耗,S21为插入损耗,S31为隔离度,S31在10GHz处为-30dB。
区分是否为该结构的标准如下:在CPW中心信号线上方设置悬臂梁,并通过悬臂梁对微波信号进行耦合,通过改变悬臂梁的长度L来改变耦合度。满足以上条件即应视为MEMS悬臂梁式微波功率耦合器。
以下结合说明书附图3所示,对本发明具体的实现工艺进行说明:
第一步.准备衬底:选用未掺杂的砷化镓作为衬底1;
第二步.光刻形成第一层金属的光刻胶11;
第五步.在中心信号线2以及输出端CPW信号线7之间淀积聚酰亚胺牺牲层12),淀积1.6微米厚的聚酰亚胺牺牲层,并且光刻形成悬臂梁的结构;
第六步.在不需要电镀的地方制作光刻胶11;
第八步.在底金Ti/Au/Ti13上电镀Au层;
第十步.反刻Ti/Au/Ti层13,并释放聚酰亚胺牺牲层12,形成悬空的悬臂梁(4)结构。
Claims (2)
1.一种基于悬臂梁式的微波功率耦合器,其特征在于该微波功率耦合器以砷化镓为衬底(1),在衬底(1)上并排顺序设有第一CPW地线(31)、CPW中心信号线(2)、下拉电极(9),在下拉电极(9)的两端分别设有第二CPW地线(32)、第三CPW地线(33),第一氮化硅介质层(5)覆盖在下拉电极(9)上,第二氮化硅介质层(8)覆盖在CPW中心信号线(2)上;悬臂梁(4)的一端通过悬臂梁的锚区(6)连接在输出端CPW信号线(7)上,悬臂梁(4)的另一端位于第一氮化硅介质层(5)、第二氮化硅介质层(8)的上方;与悬臂梁连接的CPW中心信号线(2)、CPW地线(3)、悬臂梁(4)、锚区(6)、输出端CPW信号线(7)和下拉电极(9)均采用金制作;不施加下拉电压时,悬臂梁(4)悬置于CPW中心信号线(2)上,当施加下拉电压后,悬臂梁(4)下拉至悬臂梁(4)的末端与第二氮化硅介质层(8)接触,此时,悬臂梁(4)末端、CPW中心信号线(2)和第二氮化硅介质层(8)构成一个金属-绝缘体-金属MIM电容,微波信号通过此MIM电容耦合到输出端,微波功率耦合器处于Down态。
2.一种如权利要求1所述的基于悬臂梁式微波功率耦合器的制备方法,其特征在于该方法具体包括以下步骤:
第一步.准备衬底:选用未掺杂的砷化镓作为衬底(1);
第二步.光刻形成第一层金属的光刻胶(11);
第三步.在没有覆盖光刻胶的位置溅射800/300/厚的Au/GeNi/Au层(10),并形成第一CPW地线(31)、第二CPW地线(32)、第三CPW地线(33)、输出端CPW信号线(7)以及下拉电极(9);
第五步.在中心信号线(2)以及输出端CPW信号线(7)之间淀积聚酰亚胺牺牲层(12),淀积1.6微米厚的聚酰亚胺牺牲层,并且光刻形成悬臂梁的结构;
第六步.在不需要电镀的地方制作光刻胶(11);
第七步.在聚酰亚胺层上溅射用于电镀的底金Ti/Au/Ti层,溅射并光刻Ti/Au/Ti层(13),厚度为500/1500/,保留不需要电镀的地方的光刻胶,形成用于电镀悬臂梁(4)的底金种子层;
第八步.在底金Ti/Au/Ti(13)上电镀Au层;
第十步.反刻Ti/Au/Ti层(13),并释放聚酰亚胺牺牲层(12),形成悬空的悬臂梁(4)结构。
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