CN101788605B - 无线接收式微电子机械微波频率检测系统及其制备方法 - Google Patents

Abstract

无线接收式微电子机械微波频率检测系统及其制备方法是一种结构非常简单，测量幅度范围大、不消耗直流功率，且便于集成的微电子机械微波频率检测系统及其制备方法，该微电子机械微波频率检测系统以砷化镓为衬底，在衬底上设计有微波天线(A)、一分三功分器(B)、共面波导传输线(C)、二合一功合器(D)、MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器(E)和MEMS热电式微波功率传感器(F)：然后根据余弦定理就可以确定信号3在经过λ/2长度的共面波导传输线后和信号2的相位差

。由于相位差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。

Description

无线接收式微电子机械微波频率检测系统及其制备方法

技术领域

本发明提出了基于微电子机械系统(MEMS)技术的无线接收式微波频率检测系统，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的一个重要参数，微波频率的检测在微波无线应用和测量技术中占有非常重要的地位。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MEMS悬臂梁结构进行了深入的研究，使得采用MEMS技术实现微波频率检测系统成为可能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种无线接收式微电子机械微波频率检测系统及其制备方法，可对微波信号的频率进行测量，测量信号的幅度范围大、不需要消耗直流功率，而且便于集成。

技术方案：本发明的微电子机械微波频率检测系统以砷化镓为衬底，在衬底上设有微波天线、一分三功分器、共面波导传输线、二合一功合器、MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器和MEMS热电式微波功率传感器：微波天线的输入端接待测微波信号，输出端接一分三功分器的输入端，一分三功分器的输出端分三路信号输出，第一路输出信号通过共面波导传输线接MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器的输入端，MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器的输出端接MEMS热电式微波功率传感器；一分三功分器的第二路输出信号通过共面波导传输线接二合一功合器；一分三功分器的第三路信号输出通过λ/2共面波导传输线接二合一功合器；二合一功合器的输出端通过MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器接MEMS热电式微波功率传感器；

微波天线采用的是共面波导天线，实现微波信号的无线接收而达到微波频率无线检测的目的。

一分三功分器由共面波导构成的端口一、端口二、端口三、端口四、不对称共面带线和氮化钽电阻组成；端口一通过不对称共面带线分别接端口三和端口四，通过共面波导结构接端口二，在与端口二、端口三之间以及端口二、端口四相接的带线之间连接有氮化钽电阻，

共面波导传输线由地线和中心信号线组成.

二合一功合器由共面波导构成的端口七、端口八、端口九、不对称共面带线和氮化钽电阻组成，端口七与端口八通过不对称共面带线分别接端口九，在与端口七与端口八相接的两不对称共面带线间连接有氮化钽电阻。

MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器以砷化镓为衬底，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，悬臂梁膜桥下面设有传感电极，传感电极通过膜桥连接线连接到电容检测端口的一个端，CPW的地线连接电容检测端口的另一个端，在膜桥连接线下方的CPW的地线与悬臂梁下方的CPW的信号线、传感电极上都设有氮化硅介质层；

MEMS热电式微波功率传感器由共面波导末端并联的两个电阻，热偶，增加冷端温度稳定性的金属块和热偶电压检测端口组成。

微电子机械微波频率检测系统的制备方法为：

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)在衬底上离子注入N⁺型的GaAs，形成热偶的GaAs臂；

3)在衬底上淀积、刻蚀氮化钽，形成一分三功分器和二合一功合器的匹配电阻，即氮化钽电阻，

4)在衬底上溅射金，剥离去除光刻胶：形成热偶的金臂、微波天线、一分三功分器、共面波导传输线、二合一功合器、传感电极，溅射的厚度为0.3μm；

5)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

的氮化硅介质层；

6)光刻并刻蚀氮化硅介质层；保留悬臂梁下方CPW的中心信号线、膜桥连接线下方的CPW地线和传感电极上的氮化硅；

7)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：淀积1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了悬臂梁膜桥与氮化硅介质层之间的高度，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁膜桥下的牺牲层；

8)溅射钛/金/钛：溅射用于电镀微波天线、一分三功分器、共面波导传输线、二合一功合器和悬臂梁膜桥的底金，钛/金/钛的厚度为500/1500/

9)电镀金：电镀微波天线、一分三功分器、共面波导传输线、二合一功合器(D)和悬臂梁膜桥，厚度为2μm；

10)去除光刻胶、释放牺牲层：用显影液释放悬臂梁结构下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的悬臂梁膜桥。

有益效果：与现有的微波频率检测器相比，这种新型的基于MEMS的技术的微波频率检测系统具有以下显著的优点：

1、接收端采用微波天线实现微波信号的无线接收，达到微波频率的无线检测的目的。

2、该检测系统由信号的幅度检测和相位差检测两部分组成，可以对待测微波信号的幅度和频率进行检测，且信号的幅度检测部分与信号的相位差检测部分的共面波导传输线长度相同，从而抵消了传输线上造成的损耗，提高了检测的精确度；

3、检测的动态范围大，MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器适于检测大信号，MEMS热电式微波功率传感器适于检测小信号。同时当微波信号功率很大时，MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器耦合出一部分微波功率，可以起到保护MEMS热电式微波功率传感器不被烧毁的作用。

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。该结构由微波天线、微波功分器、微波功合器，以及微波传输线构成，全部都是无源器件，不需要消耗直流功率；且与单片微波集成电路(MMIC)工艺完全兼容，便于集成，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是微波频率检测系统的原理图。

图2是微波天线的俯视图。

图3是一分三功分器的俯视图。

图4是二合一功合器的俯视图。

图5是悬臂梁电容式微波功率传感器和热电式微波功率传感器的俯视图。

图中包括：一分三功分器端口一1，一分三功分器端口二2，一分三功分器端口三3，一分三功分器四4，不对称共面带线(ACPS)5，端口氮化钽(TaN)电阻6，功合器端口七7，功合器端口八8，功合器端口九9，CPW的地线10，CPW的中心信号线11，悬臂梁电容式微波功率传感器的检测端口12，膜桥连接线13，悬臂梁膜桥14，传感电极15，氮化硅(SiN)介质层16，电阻17，热偶18，增加冷端温度稳定性的金属块19，热电式微波功率传感器的检测端口20。

具体实施方式

如图1所示，微波天线接收到待测微波信号输入给一分三功分器的端口一，在其端口二、端口三和端口四处产生了三个相同的信号(信号1、信号2、信号3)。信号1、共面波导传输线、MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器和MEMS热电式微波功率传感器级联构成微波信号的幅度检测部分；信号2、信号3、共面波导传输线、二合一功合器、MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器和MEMS热电式微波功率传感器级联构成微波信号的相位差检测部分。信号1作为幅度检测信号，通过MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器和MEMS热电式微波功率传感器检测出信号的幅度；信号2和信号3作为相位差检测信号，先将信号3经长度为λ/2的共面波导传输线后，和信号2分别连接到二合一功合器的端口七7和端口八8，在二合一功合器的端口九9形成了信号4，通过MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器和MEMS热电式微波功率传感器检测出信号4的幅度。因为信号1、信号2和信号3大小完全相同，幅度检测部分检测出信号1的幅度，也就等于信号2和信号3的幅度。这样由信号2、信号3和信号4的幅度构成的三角形的边长就都知道了，根据几何知识三角形的形状就能确定下来了，然后根据余弦定理就可以确定信号3在经过λ/2长度的共面波导传输线后和信号2的相位差

由于相位差

与信号的频率成线性关系，所以信号的频率就可以检测出来。共面波导传输线的长度λ/2是待测试频段的中心频率对应的波长。MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器可以检测功率较大的微波信号；MEMS热电式微波功率传感器可以检测功率较小的微波信号。采用这两种检测方式不但可以扩展检测微波信号的幅度范围，而且当微波信号过大时，MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器可以通过分流而起到保护MEMS热电式微波功率传感器不被烧毁的作用。

微波天线采用的共面波导天线如图2所示，实现微波信号的无线接收而达到微波频率的无线检测的目的。共面波导天线与传统的微带天线相比独到之处在于：制造简单、使有源无源器件表面贴装的串并联更容易、降低了表面波引起的损耗、更易于MMIC工艺兼容。

功分器、功合器由共面波导(CPW)构成的输入端口、输出端口、不对称共面带线和氮化钽电阻组成。一分三功分器如图3所示，端口一通过不对称共面带线分别连接端口三和端口四，通过共面波导连接端口二，在端口二、端口三之间和端口二、端口四之间连接有氮化钽电阻；二合一功合器如图4所示，端口七7、端口八8通过不对称共面带线分别连接到端口九9，在与端口七7和端口八8相接的不对称共面带线之间连接有氮化钽电阻，从端口七7和端口二八8输入，从端口九9输出时为二合一功合器。

MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器如图5所示：以砷化镓为衬底，在衬底上的中间设计有信号输入端口，在CPW的信号线两旁分别设有CPW的地线，在CPW的地线上设有桥墩，在桥墩上设有悬臂梁，在悬臂梁下面(CPW的信号线的旁边)设有传感电极，传感电极通过膜桥连接线连接到电容检测的一个端口，CPW的地线连接电容检测的另一个端，在悬臂梁膜桥下方CPW的信号线、膜桥连接线下方的CPW地线和传感电极上表面设有氮化硅介质层。信号在通过带有悬臂梁膜桥的共面波导(CPW)时，会产生静电力，从而将悬臂梁下拉，引起悬臂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，其值是与信号幅度是一一对应的，从而检测出信号的幅度。

MEMS热电式微波功率传感器如图5所示：在共面波导的末端并联两个电阻，两个并联的电阻吸收输入的微波信号，通过热偶将吸收的微波功率转化为电势差，电势差是与信号幅度一一对应的，从而检测出信号的幅度。为了使热偶的冷端与衬底温度相同，在其旁边连接了一块大面积的金属，热偶的冷热端分别连接在两个检测电势差的端口上。

微电子机械微波频率检测系统的制备方法为：

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)离子注入并光刻N⁺型GaAs，形成热偶的GaAs臂；

3)淀积、刻蚀氮化钽：形成一分三功分器和二合一功合器的匹配电阻，即氮化钽电阻；

4)溅射金，剥离去除光刻胶：形成热偶的金臂、微波天线、一分三功分器、二合一功合器、共面波导传输线、传感电极和悬臂梁结构的桥墩，溅射的厚度为0.3μm；

5)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

的氮化硅介质层；

6)光刻并刻蚀氮化硅介质层；保留悬臂梁膜桥下方CPW的中心信号线、膜桥下方的CPW地线和传感电极上的氮化硅；

7)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：淀积1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了悬臂梁与氮化硅介质层之间的高度，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁下的牺牲层；

8)溅射钛/金/钛：溅射用于电镀微波天线、一分三功分器、二合一功合器、共面波导传输线和悬臂梁的底金，钛/金/钛的厚度为500/1500/

9)电镀微波天线、一分三功分器、二合一功合器、共面波导传输线和悬臂梁，厚度为2μm；

10)去除光刻胶、释放牺牲层：用显影液释放悬臂梁结构下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的悬臂梁结构。

区分是否为该结构的标准如下：

1、接收端采用微波天线实现微波信号的无线接收；

2、采用MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器和MEMS热电式微波功率传感器级联结构，前者适用于检测功率较大的微波信号，后者适用于检测功率较小的微波信号。MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器的工作原理为：微波信号产生静电力将悬臂梁膜桥下拉，引起电容的变化，由电容检测电路检测出电容，从而推出微波信号的幅值，MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器具有更高的灵敏度。

满足以上条件的结构即视为本发明的无线接收式微波频率检测系统。

Claims (8)

1.一种无线接收式微电子机械微波频率检测系统，其特征在于该检测系统以砷化镓为衬底，在衬底上设有微波天线(A)、一分三功分器(B)、共面波传输线(C)、二合一功合器(D)、MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器(E)和MEMS热电式微波功率传感器(F)：微波天线(A)的输入端接待测微波信号，输出端接一分三功分器(B)的输入端，一分三功分器(B)的输出端分三路信号输出，第一路输出信号通过共面波导传输线(C)接第一MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器的输入端，第一MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器的输出端接第一MEMS热电式微波功率传感器；一分三功分器(B)的第二路输出信号通过共面波导传输线(C)接二合一功合器(D)；一分三功分器(B)的第三路信号输出通过λ/2共面波导传输线(C)接二合一功合器(D)；二合一功合器(D)的输出端通过第二MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器接第二MEMS热电式微波功率传感器。

2.根据权利要求1所述的无线接收式微电子机械微波频率检测系统，其特征在于微波天线(A)采用的是共面波导天线，实现微波信号的无线接收而达到微波频率无线检测的目的。

3.根据权利要求1所述的无线接收式微电子机械微波频率检测系统，其特征在于一分三功分器(B)由共面波导构成的端口一(1)、端口二(2)、端口三(3)、端口四(4)、不对称共面带线(5)和氮化钽电阻(6)组成；端口一(1)通过不对称共面带线(5)分别接端口三(3)和端口四(4)，通过共面波导结构接端口二(2)，在与端口二(2)、端口三(3)之间以及端口二(2)、端口四(4)相接的带线之间连接有氮化钽电阻(6)。

4.根据权利要求1所述的无线接收式微电子机械微波频率检测系统，其特征在于共面波导传输线(C)由地线(10)和中心信号线(11)组成。

5.根据权利要求1所述的无线接收式微电子机械微波频率检测系统，其特征在于二合一功合器(D)由共面波导构成的端口七(7)、端口八(8)、端口九(9)、不对称共面带线(5)和氮化钽电阻(6)组成，端口七(7)与端口八(8)通过不对称共面带线(5)分别接端口九(9)，在与端口七(7)与端口八(8)相接的两不对称共面带线(5)之间连接有氮化钽电阻(6)。

6.根据权利要求1所述的无线接收式微电子机械微波频率检测系统，其特征在于MEMS悬臂梁电容式微波功率传感器(E)以砷化镓为衬底，在衬底上 的中间设有CPW的信号线(11)，在CPW的信号线(11)的两旁分别设有CPW的地线(10)，悬臂梁膜桥(14)下面设有传感电极(15)，传感电极(15)通过膜桥连接线(13)连接到电容检测端口(12)的一个端，CPW的地线(10)连接电容检测端口(12)的另一个端，在膜桥连接线(13)下方的CPW的地线(10)与悬臂梁(14)下方的CPW的信号线(11)、传感电极(15)上都设有氮化硅介质层(16)。

7.根据权利要求1所述的无线接收式微电子机械微波频率检测系统，其特征在于MEMS热电式微波功率传感器(F)由共面波导末端并联的两个电阻(17)，热偶(18)，增加冷端温度稳定性的金属块(19)和热偶电压检测端口(20)组成。

8.一种如权利要求1所述的无线接收式微电子机械微波频率检测系统的制备方法，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)在衬底上离子注入N⁺型的GaAs，形成热偶的GaAs臂(18)；

3)在衬底上淀积、刻蚀氮化钽，形成一分三功分器和二合一功合器的匹配电阻，即氮化钽电阻(6)，

4)在衬底上溅射金，剥离去除光刻胶：形成热偶的金臂(18)、微波天线(A)、一分三功分器(B)、共面波导传输线(C)、二合一功合器(D)、传感电极(15)，溅射的厚度为0.3μm；

5)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 

的氮化硅介质层；

6)光刻并刻蚀氮化硅介质层；保留悬臂梁下方CPW的中心信号线(11)、膜桥连接线下方的CPW地线(10)和传感电极(15)上的氮化硅；

7)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：淀积1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了悬臂梁膜桥(14)与氮化硅介质层(16)之间的高度，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁膜桥(14)下的牺牲层；

8)溅射钛/金/钛：溅射用于电镀微波天线(A)、一分三功分器(B)、共面波导传输线(C)、二合一功合器(D)和悬臂梁膜桥(14)的底金，钛/金/钛的厚度为500/1500/300 

9)电镀金：电镀微波天线(A)、一分三功分器(B)、共面波导传输线(C)、二合一功合器(D)和悬臂梁膜桥(14)，厚度为2μm；

10)去除光刻胶、释放牺牲层：用显影液释放悬臂梁结构下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的悬臂梁膜桥(14)。 

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