CN102243268A - 微电子机械定向耦合式微波功率传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

微电子机械定向耦合式微波功率传感器及其制备方法，定向耦合式微波功率传感器由定向微波功率耦合器和基于热电堆的终端式微波功率传感器组成，定向微波功率耦合器的副线与主线耦合的部分设有MEMS固支梁，MEMS固支梁作为副线的一段耦合线段；MEMS固支梁下方设有驱动电极；定向微波功率耦合器的耦合输出端口设有终端发热电阻，热电堆设置在终端发热电阻旁，构成终端式微波功率传感器。本发明不但具有终端式微波功率传感器的优点，如低损耗、高灵敏度、宽频带和良好的线性度，而且通过控制MEMS固支梁的驱动电压使该定向耦合式微波功率传感器实现在线监测和不监测两种状态，减少不必要的功率损耗。

Description

微电子机械定向耦合式微波功率传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统MEMS的技术领域，涉及微波功率耦合器和基于热电堆的终端式微波功率传感器，具体为一种微电子机械定向耦合式微波功率传感器及其制备方法。

背景技术

在微波技术研究中，微波功率是表征微波信号特征的一个重要参数，微波功率的测量在无线技术应用中具有重要的地位。现有的微波功率传感器包括两种：基于二极管、热敏电阻和热电堆的终端式微波功率传感器，它们具有低损耗和高灵敏度的优点，然而其最大的缺点是在测量微波功率时完全消耗输入信号功率；基于MEMS技术的在线式微波功率传感器，其最大的优点是在功率测量过程时微波信号仍是可用的，即在线微波功率测量。这两种微波功率传感器最大的不足是功率传感器传输微波信号时无论要不要求监测功率，总是会有全部的(终端式微波功率传感器)或一定的(在线式微波功率传感器)功率被消耗，造成了不必要的功率损耗。

目前传统的微波功率耦合器得到了广泛地研究，这就为利用微波功率耦合器的原理来研究微波功率传感器奠定了基础。微波功率耦合器是用于微波功率定向分配或功率组合的无源器件，通常使用定向耦合器对微波功率进行耦合。定向微波功率耦合器是一种具有方向性的四端口功率耦合器件，包含主传输线(主线)和副传输线(副线)两部分，主副线之间通过耦合机构，如缝隙、孔和耦合线段等，把主线功率的一部分耦合到副线中去。传统的定向微波功率耦合器是由波导、同轴线和微带线等构成的，它们具有低的损耗、高的隔离度和良好的方向性等优点，然而与前面所述的微波功率传感器相同，其最大的缺点也是不必要的功率损耗，主线传输微波信号无论副线要不要求分配微波功率，总是会有一定的微波功率被耦合到副线中去，造成了不必要的功率损耗。近年来，随着MEMS技术和微波功率耦合器的快速发展，并对MEMS固支梁结构和定向微波功率耦合器进行了深入的研究，使基于MEMS技术实现具有低损耗、高灵敏度、宽频带、良好的线性度以及在线监测与不监测功能的定向耦合式微波功率传感器成为可能。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有微波功率的传感测量中，功率传感器传输微波信号时无论要不要求监测功率，总是会有全部的(终端式微波功率传感器)或一定的(在线式微波功率传感器)功率被消耗，造成了不必要的功率损耗。

本发明的技术方案为：微电子机械定向耦合式微波功率传感器，由一个四端口的定向微波功率耦合器和一个基于热电堆的终端式微波功率传感器组成，以砷化镓衬底为基底；在基底上设置定向微波功率耦合器的主线和副线，所述四端口分别为主线输入端口、主线输出端口、副线耦合输出端口和副线隔离端口，副线与主线耦合的部分设有MEMS固支梁，MEMS固支梁作为副线的一段耦合线段，并位于副线中部；MEMS固支梁下方设有驱动电极，对应驱动电极在副线外侧设有电输入压焊块，通过引线与驱动电极连接；定向微波功率耦合器的耦合输出端口设有终端发热电阻，热电堆设置在终端发热电阻旁，由共面波导CPW构成的副线耦合输出端口、终端发热电阻以及靠近终端发热电阻的热电堆构成了基于热电堆的终端式微波功率传感器。

定向耦合式微波功率传感器的主线包括由共面波导CPW构成主线输入端口、主线输出端口，和由不对称共面带线ACPS构成功率传输部分；副线包括由CPW构成副线耦合输出端口、副线隔离端口，和由ACPS构成功率耦合部分；CPW由一个信号线和两个地线组成，ACPS由一个信号线和一个地线组成，CPW和ACPS的信号线组合构成主线信号线、副线信号线；MEMS固支梁通过MEMS固支梁锚区与功率耦合部分固定连接，驱动电极的两端不与MEMS固支梁的锚区相连接，副线外侧设有两个电输入压焊块，分别通过引线与驱动电极和副线ACPS的地线相连接，其中，连接驱动电极和电输入压焊块的引线隔开副线ACPS的地线，耦合器中所有被隔开的地线通过空气桥相连接；基于热电堆的终端式微波功率传感器由CPW构成的副线耦合输出端、终端发热电阻和热电堆组成，副线耦合输出端连接终端发热电阻，热电堆靠近但不与终端发热电阻连接；驱动电极、所述引线隔开地线的部分、基于热电堆的终端式微波功率传感器的热电堆部分、氮化钽材料构成的终端发热电阻、以及空气桥下方非地线的部分被氮化硅介质层覆盖。

其中，主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁、MEMS固支梁的锚区、驱动电极、空气桥、引线和电输入压焊块的材料均为金。

本发明中的定向微波功率耦合器的副线隔离端口设有氮化钽材料构成的终端隔离电阻，终端隔离电阻上覆盖氮化硅介质层。

上述微电子机械定向耦合式微波功率传感器的制备方法，基于GaAs MMIC工艺，包括以下步骤：

1)准备砷化镓衬底：选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N⁺砷化镓的掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，其方块电阻值为100～130Ω/□，在衬底正面制备微电子机械定向耦合式微波功率传感器；

2)在外延的N⁺砷化镓衬底涂覆光刻胶，保留预备制作欧姆接触区和初步形成热电堆的半导体热偶臂的光刻胶，然后去除光刻胶地方的外延N⁺砷化镓被隔离，形成欧姆接触区，并初步形成热电堆的半导体热偶臂；

3)反刻步骤2)中初步形成的热电堆半导体热偶臂，完全形成其掺杂浓度为10¹⁷cm^-3的热电堆的半导体热偶臂；

4)在步骤3)得到的衬底上涂覆光刻胶，去除预备制作热电堆的金属热偶臂处的光刻胶；

5)在衬底上溅射金锗镍/金，其厚度共为

6)剥离去除步骤4)中留下的光刻胶，连带去除光刻胶上的金锗镍/金，形成热电堆的金属热偶臂；

7)在步骤6)得到的衬底上涂覆光刻胶，去除预备制作终端隔离电阻和终端发热电阻处的光刻胶；

8)在衬底上溅射氮化钽，其厚度为1μm；

9)将步骤7)中留下的光刻胶剥离去除，连带去除光刻胶上面的氮化钽，初步形成由氮化钽构成的终端隔离电阻和终端发热电阻；

10)在砷化镓衬底上涂覆光刻胶，再去除预备制作主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁的锚区、驱动电极、引线以及电输入压焊块地方的光刻胶；

11)在衬底上通过蒸发方式生长一层金，其厚度为0.3μm；

12)将步骤10)留下的光刻胶剥离去除，连带去除了光刻胶上面的金，形成驱动电极和引线，并初步形成主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁的锚区以及电输入压焊块；

13)反刻氮化钽，形成与副线隔离端相连接的终端隔离电阻和与副线耦合输出端相连接的终端发热电阻，其方块电阻均为25Ω/□；

14)淀积氮化硅：在前面步骤处理得到的砷化镓衬底上用等离子体增强型化学气相淀积法工艺PECVD生长厚的氮化硅介质层；

15)光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留覆盖在驱动电极、空气桥下方的CPW信号线、引线、基于热电堆的终端式微波功率传感器的热电堆部分、终端隔离电阻以及终端发热电阻上的氮化硅介质层；

16)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，填满所有凹坑，其中，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了MEMS固支梁与其下方驱动电极上的氮化硅介质层之间的距离，以及空气桥的高度；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS固支梁和空气桥下方的牺牲层；

17)通过蒸发方式生长用于电镀的底金：蒸发钛/金/钛，作为底金，其厚度为500/1500/

18)涂覆光刻胶，去除预备制作MEMS固支梁、空气桥、MEMS固支梁的锚区、主线和副线CPW、主线和副线ACPS以及电输入压焊块地方的光刻胶；

19)电镀一层金，其厚度为2μm；

20)去除步骤18)中留下的光刻胶；

21)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成MEMS固支梁、空气桥、以及完整的主线和副线CPW、主线和副线ACPS以及电输入压焊块；

22)将该砷化镓衬底背面减薄至100μm；

23)在砷化镓衬底的背面涂覆光刻胶，去除预备在砷化镓背面形成膜结构地方的光刻胶；

24)刻蚀减薄终端发热电阻和热电堆的热端下方的砷化镓衬底，形成膜结构，刻蚀80μm的衬底厚度，保留20μm的膜结构；

25)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS固支梁和空气桥下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干，得到微电子机械定向耦合式微波功率传感器。

本发明提供了一种基于MEMS技术的定向耦合式微波功率传感器及其制备方法，通过设计主副线的长度和间距以及MEMS固支梁在副线上的长度和高度，可以根据要求设计定向微波功率耦合器在耦合状态时的耦合度，从而设计了定向耦合式微波功率传感器的灵敏度；通过控制MEMS固支梁的驱动电压的施加和不施加，使定向微波功率耦合器实现耦合和不耦合两种状态，从而使该定向耦合式微波功率传感器实现监测和不监测两种状态。

为了实现定向微波功率耦合器具有耦合和不耦合两种工作状态，本发明中的耦合器具有一个MEMS固支梁结构，位于由ACPS构成的副线耦合部分并作为耦合部分的一段耦合线段；当耦合器副线上MEMS固支梁结构的驱动电极未施加驱动电压，那么固支梁结构处于UP状态，此时作为副线耦合部分的一段耦合线段的固支梁，与主线传输部分不在同一平面且存在一定的高度差，通过设计由ACPS构成的主线传输部分与副线耦合部分的长度和两者之间的间距以及MEMS固支梁的高度，使副线耦合部分几乎不会从主线耦合微波功率到副线中去，因而定向微波功率耦合器处于不耦合状态；当耦合器副线上MEMS固支梁结构的驱动电极施加驱动电压，固支梁受驱动电极上电荷吸引而贴近驱动电极，固支梁结构处于DOWN状态，此时固支梁被吸合到驱动电极的氮化硅介质层表面上，作为副线耦合部分的一段耦合线段，并且此时固支梁与主线传输部分几乎在同一平面内，通过设计MEMS固支梁的长度，使副线耦合部分从主线耦合一定比例的微波功率到副线中去，即可以根据要求设计在固支梁结构处于DOWN状态时定向微波功率耦合器的耦合度，因而定向微波功率耦合器处于耦合状态。

本发明中的终端电阻包括：一，连接到副线隔离端的终端隔离电阻，完全吸收在微波功率耦合器处于耦合状态，也就是微波功率传感器处于监测状态时因主线输入端失配而从主线传输部分耦合到副线隔离端上的微波功率，当耦合器的主线输入端匹配时，在任何频率处耦合到副线隔离端上的微波功率为零，即耦合器完全隔离，失配时用终端隔离电阻，保证副线耦合出的一定比例微波功率完全由副线的耦合输出端输出；二，连接到副线耦合输出端的终端发热电阻，它完全吸收副线耦合输出端输出的微波功率，并转换为热量，用于基于热电堆的终端式微波功率传感器的传感检测。终端隔离电阻和终端发热电阻均采用氮化钽材料构成。

由十二对热电偶组成的热电堆靠近终端发热电阻，但不与终端发热电阻连接；热电堆靠近终端发热电阻的一端吸收到这种热量，并引起这端温度的升高，即为热电堆的热端，然而热电堆的另一端的温度仍保持为环境温度，即为热电堆的冷端，由于热电堆两端温度的不同，根据Seebeck效应，产生热电势的输出；为了提高热量由终端发热电阻向热电堆的热端的传输效率从而提高热电堆热冷两端的温差，在终端发热电阻和热电堆的热端下方的砷化镓衬底被刻蚀减薄而形成衬底的膜结构。热电堆采用金和轻掺杂的砷化镓材料构成。

在机械结构上，主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁结构、终端隔离和发热电阻、热电堆、空气桥结构、引线以及压焊块制作在同一块砷化镓衬底上。

为了实现微电子机械定向耦合式微波功率传感器具有监测和不监测两种工作状态，也就是实现在该定向耦合式微波功率传感器中定向微波功率耦合器具有耦合和不耦合两种工作状态，本发明中的MEMS固支梁结构是实现耦合状态控制的关键，它位于由ACPS构成的副线耦合部分并作为耦合部分的一段耦合线段；当耦合器副线上MEMS固支梁结构的驱动电极未施加驱动电压，那么固支梁结构处于UP状态，此时作为副线耦合部分的一段耦合线段的固支梁，与主线传输部分不在同一平面且存在一定的高度差，通过设计由ACPS构成的主线传输部分与副线耦合部分的长度和两者之间的间距以及MEMS固支梁的高度，使副线耦合部分几乎没有从主线耦合微波功率到副线中去，则定向微波功率耦合器处于不耦合状态，因而定向耦合式微波功率传感器处于不监测状态；当耦合器副线上MEMS固支梁结构的驱动电极施加驱动电压，那么固支梁结构处于DOWN状态，此时固支梁被吸合到驱动电极的氮化硅介质层表面上，作为副线耦合部分的一段耦合线段，并且此时固支梁与主线传输部分几乎在同一平面内，通过设计MEMS固支梁的长度，使副线耦合部分从主线耦合一定比例的微波功率到副线中去，也就是可以根据要求设计在固支梁结构处于DOWN状态时定向微波功率耦合器的耦合度，则微波功率耦合器处于耦合状态，被耦合到副线上的微波功率在输入端口匹配时完全由副线耦合输出端口输出，连接到副线耦合输出端的终端发热电阻完全吸收副线耦合输出端输出的微波功率并转换为热量，靠近该终端发热电阻的热电堆吸收到这种热量，引起热电堆热冷两端存在温差，根据Seebeck效应，从而在热电堆上产生热电势的输出，实现待测微波信号功率的测量，因而定向耦合式微波功率传感器处于监测状态。

如果主线传输部分与副线耦合部分的长度等于四分之一波长，通过设计主线传输部分与副线耦合部分的间距以及MEMS固支梁的长度，可使固支梁结构处于DOWN状态定向微波功率耦合器的耦合度达到极大值，从而使得定向耦合式微波功率传感器的灵敏度达到极大值。

有益效果：本发明的微电子机械定向耦合式微波功率传感器采用定向微波功率耦合器与基于热电堆的终端式微波功率传感器结合，不但具有终端式微波功率传感器的低损耗、高灵敏度、宽频带、良好的线性度特点，而且通过控制MEMS固支梁的驱动电压使定向耦合式微波功率传感器实现在线监测和不监测两种状态，减少不必要的损耗。

附图说明

图1为本发明定向耦合式微波功率传感器的示意图。

图2为本发明中MEMS固支梁结构的局部示意图，(a)为俯视图，(b)为图2(a)的A-A向剖面图。

图3为本发明中基于热电堆的终端式微波功率传感器部分的局部示意图。

具体实施方式

本发明微电子机械定向耦合式微波功率传感器由一个四端口定向微波功率耦合器和一个基于热电堆的终端式微波功率传感器23组成，如图1所示；以砷化镓衬底19为基底，在基底上设置定向微波功率耦合器的主线5和副线6，所述的四端口分别为主线输入端口1、主线输出端口2、副线耦合输出端口3和副线隔离端口4，副线6与主线5耦合的部分设有MEMS固支梁9，MEMS固支梁9作为副线6的一段耦合线段，并位于副线6的中部；MEMS固支梁9下方设有驱动电极11，对应驱动电极11在副线6外侧设有电输入压焊块18，通过引线17与驱动电极11连接；定向微波功率耦合器的耦合输出端口3设有终端发热电阻14-B，热电堆设置在终端发热电阻旁14-B，由共面波导CPW构成的副线耦合输出端口3、终端发热电阻14-B以及靠近终端发热电阻的热电堆构成了基于热电堆的终端式微波功率传感器23。

其中主线5包括由共面波导CPW构成主线输入端口1、主线输出端口2，和由不对称共面带线ACPS构成功率传输部分7；副线6包括由CPW构成副线耦合输出端口3、副线隔离端口4，和由ACPS构成功率耦合部分8；CPW由一个信号线和两个地线16组成，ACPS由一个信号线和一个地线16组成，CPW和ACPS的信号线组合构成主线信号线15、副线信号线15′；MEMS固支梁9通过MEMS固支梁锚区10与功率耦合部分8固定连接，驱动电极11的两端不与MEMS固支梁的锚区10相连接，副线6外侧设有两个电输入压焊块18，分别通过引线17与驱动电极11和副线ACPS的地线16相连接，其中，连接驱动电极11和电输入压焊块18的引线17隔开副线ACPS的地线16，耦合器中所有被隔开的地线通过空气桥13相连接；驱动电极11、所述引线17隔开地线16的部分、基于热电堆的终端式微波功率传感器23的热电堆部分、终端发热电阻14-B、以及空气桥13下方非地线的部分被氮化硅介质层12覆盖。

CPW在定向微波功率耦合器上用于实现微波信号在耦合器主线5端口上的输入与输出和在耦合器副线6端口上的耦合输出和隔离，以及测试仪器与ACPS、ACPS与终端隔离电阻14-A的电路连接；在基于热电堆的终端式微波功率传感器23上用于实现耦合输出功率的传输，以及耦合器副线端口的耦合输出与终端发热电阻14-B的电路连接。CPW由一个信号线15和两个地线16组成，采用金材料构成。

ACPS用于实现微波信号在耦合器内主线5上的传输和副线6上的耦合，以及主线输入端口1与主线输出端口2、副线耦合输出端口3与副线隔离端口4的电路连接。主线的输入1与输出端口2和副线的耦合输出3与隔离端口4均由CPW构成，然而用于微波信号在耦合器内传输部分7的主线5和用于微波信号在耦合器内耦合部分8的副线6是由ACPS构成。ACPS由一个信号线15和一个地线16组成，采用金材料构成。

本发明的微电子机械定向耦合式微波功率传感器在定向微波功率耦合器中具有一个MEMS固支梁结构，它位于副线功率耦合部分8上并作为功率耦合部分8的一段耦合线段；如图2(a)(b)所示，固支梁的锚区10与副线ACPS的信号线15相连接；固支梁9下方具有驱动电极11；连接驱动电极11的引线17穿过副线ACPS的地线16并与耦合器结构外部的压焊块18相连接，然而被引线17隔开的副线ACPS的地线16通过空气桥13相连接；驱动电极11和穿过副线ACPS的地线16的引线17被氮化硅介质层12覆盖。通过设计主副线ACPS的长度和间距以及MEMS固支梁9的长度和高度，可以根据要求设计定向微波功率耦合器在耦合状态时的耦合度；通过控制固支梁的驱动电极11有无驱动电压用来控制固支梁结构是否处于DOWN或UP状态，相应地副线耦合部分8是否从主线5耦合一定比例的微波功率到副线6中去，则该定向微波功率耦合器是否处于耦合状态。MEMS固支梁结构、驱动电极11、空气桥13、引线17和压焊块18均采用金材料构成。

空气桥13用于连接所有被分隔开的地线，包括耦合器四端口附近被CPW信号线隔开的CPW的地线16，以及被引线17隔开的副线ACPS的地线16，本发明的具体实施方式中，主线两端口的CPW和ACPS共用一个地线，副线两端口的CPW和ACPS共用一个地线。

本发明在副线6的副线耦合输出端口3与副线隔离端口4均设有电阻：一，连接到副线隔离端口4的终端隔离电阻14-A，完全吸收在微波功率耦合器处于耦合状态，也就是微波功率传感器处于监测状态时，因主线输入端1失配而从主线传输部分7耦合到副线隔离端口4上的微波功率，而当耦合器的主线输入端1匹配时，在任何频率处耦合到副线隔离端口4上的微波功率为零，即耦合器完全隔离，因此本发明中，被副线6耦合出的一定比例微波功率完全由副线的耦合输出端口3输出；二，连接到副线耦合输出端口3的终端发热电阻14-B，完全吸收副线耦合输出端口3输出的微波功率，并转换为热量。终端隔离电阻14-A和终端发热电阻14-B被氮化硅介质层12覆盖，其作用是保护终端隔离电阻14-A与副线隔离端口4以及终端发热电阻14-B与副线耦合输出端口3的电路连接。终端隔离电阻14-A和终端发热电阻14-B均采用氮化钽材料构成。

由十二对热电偶的半导体热偶臂20和金属热偶臂21组成的热电堆靠近终端发热电阻14-B，但不与终端发热电阻14-B连接；热电堆靠近终端发热电阻14-B的一端吸收到这种热量，并引起这端温度的升高，即为热电堆的热端，然而热电堆的另一端的温度仍保持为环境温度，即为热电堆的冷端，由于热电堆两端温度的不同，根据Seebeck效应，产生热电势的输出；为了提高热量由终端发热电阻14-B向热电堆的热端的传输效率从而提高热电堆热冷两端的温差，在终端发热电阻14-B和热电堆的热端下方的砷化镓衬底被刻蚀减薄而形成衬底的膜结构。热电堆被氮化硅介质层12覆盖，其作用是保护半导体热偶臂20和金属热偶臂21的电路连接。热电堆采用金和轻掺杂的砷化镓材料构成。

本发明的微电子机械定向耦合式微波功率传感器是由一个定向微波功率耦合器和一个基于热电堆的终端式微波功率传感器23两部分组成的。定向微波功率耦合器是一个四端口微波器件，主线5上两端口用于微波功率的输入与输出而副线6上两端口用于被耦合出微波功率的耦合输出与隔离。微波信号从由CPW构成的主线输入端口1输入，经由ACPS构成的主线传输部分7，最后从由CPW构成的主线输出端口2输出；在距主线传输部分7一定距离处有一段相等长度的耦合线段作为由ACPS构成的副线耦合部分8；由ACPS构成的副线耦合部分8在耦合器处于耦合状态，也就是微波功率传感器处于监测状态时，能够把由ACPS构成的主线传输部分7上微波功率按一定比例耦合出来，然而在耦合器处于不耦合状态，也就是微波功率传感器处于不监测状态时，则几乎不会将由ACPS构成的主线传输部分7上微波功率耦合出来；在耦合器处于耦合状态时，当耦合器的主线输入端口1匹配时，被耦合到副线6上的微波功率完全从副线耦合输出端口3传输到基于热电堆的终端式微波功率传感器23中，此时耦合器的副线隔离端口4没有功率输出，则连接到副线隔离端口4的终端隔离电阻14-A没有吸收被耦合出来的微波功率，即耦合器完全隔离，然而当耦合器的主线输入端口1失配时，被耦合到副线6上的微波功率一部分从副线耦合输出端口3传输到基于热电堆的终端式微波功率传感器23中，此时耦合器的副线隔离端口4存在一部分功率输出，则连接到副线隔离端口4的终端隔离电阻14-A吸收这部分被耦合出来的微波功率。该定向耦合式微波功率传感器具有一个MEMS固支梁结构，它位于由ACPS构成的副线耦合部分8并作为耦合部分8的一段耦合线段；当耦合器副线6上MEMS固支梁结构的驱动电极11未施加驱动电压，那么固支梁结构处于UP状态，通过设计由ACPS构成的主线传输部分7与副线耦合部分8的长度和两者之间的间距以及MEMS固支梁9的高度，使副线耦合部分8几乎没有从主线5耦合微波功率到副线6中去，则微波功率耦合器处于不耦合状态，因而定向耦合式微波功率传感器处于不监测状态；当耦合器副线6上MEMS固支梁结构的驱动电极11施加驱动电压，那么固支梁结构处于DOWN状态，则微波功率耦合器处于耦合状态，通过设计MEMS固支梁9的长度，使副线耦合部分8从主线5耦合一定比例的微波功率到副线6中去，根据要求设计在固支梁结构处于DOWN状态时定向微波功率耦合器的耦合度；被耦合到副线6上的微波功率在输入端口1匹配时完全由副线耦合输出端口3输出，连接到副线耦合输出端3的终端发热电阻14-B完全吸收副线耦合输出端3输出的微波功率并转换为热量，靠近该终端发热电阻14-B的热电堆吸收到这种热量，引起热电堆热冷两端存在温差，根据Seebeck效应，从而在热电堆上产生热电势的输出，实现待测微波信号功率的测量，因而定向耦合式微波功率传感器处于监测状态。如果主线传输部分7与副线耦合部分8的长度等于四分之一波长，通过设计主线传输部分7与副线耦合部分8的间距以及MEMS固支梁9的长度，可使固支梁结构处于DOWN状态微波功率耦合器的耦合度达到极大值，从而使得定向耦合式微波功率传感器的灵敏度达到极大值。

微电子机械定向耦合式微波功率传感器的制备方法为，基于GaAs MMIC工艺，包括以下步骤：

1)准备砷化镓衬底19：选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N⁺砷化镓的掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，其方块电阻值为100～130Ω/□，在衬底正面制备微电子机械定向耦合式微波功率传感器；

2)在外延的N⁺砷化镓衬底涂覆光刻胶，保留预备制作欧姆接触区和初步形成热电堆的半导体热偶臂的光刻胶，然后去除光刻胶地方的外延N⁺砷化镓被隔离，形成欧姆接触区，并初步形成热电堆的半导体热偶臂；

3)反刻步骤2)中初步形成的热电堆半导体热偶臂，完全形成其掺杂浓度为10¹⁷cm^-3的热电堆的半导体热偶臂20；

4)在步骤3)得到的衬底上涂覆光刻胶，去除预备制作热电堆的金属热偶臂21处的光刻胶；

5)在衬底上溅射金锗镍/金，其厚度共为

6)剥离去除步骤4)中留下的光刻胶，连带去除光刻胶上的金锗镍/金，形成热电堆的金属热偶臂21；

7)在步骤6)得到的衬底上涂覆光刻胶，去除预备制作终端隔离电阻14-A和终端发热电阻14-B处的光刻胶；

8)在衬底上溅射氮化钽，其厚度为1μm；

9)将步骤7)中留下的光刻胶剥离去除，连带去除光刻胶上面的氮化钽，初步形成由氮化钽构成的终端隔离电阻14-A和终端发热电阻14-B；

10)在砷化镓衬底上涂覆光刻胶，再去除预备制作主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁的锚区10、驱动电极11、引线17以及电输入压焊块18地方的光刻胶；

11)在衬底上通过蒸发方式生长一层金，其厚度为0.3μm；

12)将步骤10)留下的光刻胶剥离去除，连带去除了光刻胶上面的金，形成驱动电极11和引线17，并初步形成主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁的锚区10以及电输入压焊块18；

13)反刻氮化钽，形成与副线隔离端4相连接的终端隔离电阻14-A和与副线耦合输出端3相连接的终端发热电阻14-B，其方块电阻均为25Ω/□；

14)淀积氮化硅：在前面步骤处理得到的砷化镓衬底19上用等离子体增强型化学气相淀积法工艺PECVD生长

厚的氮化硅介质层；

15)光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留覆盖在驱动电极11、空气桥13下方的CPW信号线、引线17、基于热电堆的终端式微波功率传感器23的热电堆部分、终端隔离电阻14-A以及终端发热电阻14-B上的氮化硅介质层；

16)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底19上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，填满所有凹坑，其中，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了MEMS固支梁9与其下方驱动电极11上的氮化硅介质层12之间的距离，以及空气桥13的高度；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS固支梁9和空气桥13下方的牺牲层；

17)通过蒸发方式生长用于电镀的底金：蒸发钛/金/钛，作为底金，其厚度为500/1500/

18)涂覆光刻胶，去除预备制作MEMS固支梁9、空气桥13、MEMS固支梁的锚区10、主线和副线CPW、主线和副线ACPS以及电输入压焊块18地方的光刻胶；

19)电镀一层金，其厚度为2μm；

20)去除步骤18)中留下的光刻胶；

21)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成MEMS固支梁9、空气桥13、以及完整的主线和副线CPW、主线和副线ACPS以及电输入压焊块18；

22)将该砷化镓衬底19背面减薄至100μm；

23)在砷化镓衬底19的背面涂覆光刻胶，去除预备在砷化镓背面形成膜结构22地方的光刻胶；

24)刻蚀减薄终端发热电阻14-B和热电堆的热端下方的砷化镓衬底，形成膜结构22，刻蚀80μm的衬底厚度，保留20μm的膜结构；

25)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS固支梁9和空气桥13下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干，得到微电子机械定向耦合式微波功率传感器。

本发明与现有技术的区别在于，本发明的微电子机械定向耦合式微波功率传感器，在处于监测状态时通过由ACPS构成的副线耦合部分上的耦合线段把主线上微波功率按一定比例耦合到副线中去；为了实现微波功率传感器具有监测和不监测两种工作状态，该定向耦合式微波功率传感器具有一个MEMS固支梁结构，它位于由ACPS构成的副线耦合部分并作为耦合部分的一段耦合线段；当副线上MEMS固支梁结构的驱动电极未施加驱动电压，那么固支梁结构处于UP状态，通过设计由ACPS构成的主线传输部分与副线耦合部分的长度和两者之间的间距以及MEMS固支梁的高度，使副线耦合部分几乎没有从主线耦合微波功率到副线中去，因而微波功率传感器处于不监测状态；当副线上MEMS固支梁结构的驱动电极施加驱动电压，那么固支梁结构处于DOWN状态，通过设计MEMS固支梁的长度，使副线耦合部分从主线耦合一定比例的微波功率到副线中去，被耦合到副线上的微波功率在输入端口匹配时完全由副线耦合输出端口输出，连接到副线耦合输出端的终端发热电阻完全吸收副线耦合输出端输出的微波功率并转换为热量，靠近该终端发热电阻的热电堆吸收到这种热量，引起热电堆热冷两端存在温差，根据Seebeck效应，从而在热电堆上产生热电势的输出，实现待测微波信号功率的测量，因而微波功率传感器处于监测状态。

Claims (5)

1.一种微电子机械定向耦合式微波功率传感器，其特征是由四端口的定向微波功率耦合器和基于热电堆的终端式微波功率传感器(23)组成，以砷化镓衬底(19)为基底；在基底上设置定向微波功率耦合器的主线(5)和副线(6)，所述四端口分别为主线输入端口(1)、主线输出端口(2)、副线耦合输出端口(3)和副线隔离端口(4)，副线(6)与主线(5)耦合的部分设有MEMS固支梁(9)，MEMS固支梁(9)作为副线(6)的一段耦合线段，并位于副线(6)中部；MEMS固支梁(9)下方设有驱动电极(11)，对应驱动电极(11)在副线(6)外侧设有电输入压焊块(18)，通过引线(17)与驱动电极(11)连接；定向微波功率耦合器的耦合输出端口(3)设有终端发热电阻(14-B)，热电堆设置在终端发热电阻(14-B)旁，由共面波导CPW构成的副线耦合输出端口(3)、终端发热电阻(14-B)以及靠近终端发热电阻的热电堆构成了基于热电堆的终端式微波功率传感器(23)。

2.根据权利要求1所述的微电子机械定向耦合式微波功率传感器，其特征是微电子机械定向耦合式微波功率传感器在定向微波功率耦合器中的主线(5)包括由共面波导CPW构成主线输入端口(1)、主线输出端口(2)，和由不对称共面带线ACPS构成功率传输部分(7)；副线(6)包括由CPW构成副线耦合输出端口(3)、副线隔离端口(4)，和由ACPS构成功率耦合部分(8)；CPW由一个信号线和两个地线(16)组成，ACPS由一个信号线和一个地线(16)组成，CPW和ACPS的信号线组合构成主线信号线(15)、副线信号线(15′)；MEMS固支梁(9)通过MEMS固支梁锚区(10)与功率耦合部分(8)固定连接，驱动电极(11)的两端不与MEMS固支梁的锚区(10)相连接，副线(6)外侧设有两个电输入压焊块(18)，分别通过引线(17)与驱动电极(11)和副线ACPS的地线(16)相连接，其中，连接驱动电极(11)和电输入压焊块(18)的引线(17)隔开副线ACPS的地线(16)，耦合器中所有被隔开的地线通过空气桥(13)相连接；基于热电堆的终端式微波功率传感器(23)中热电堆靠近但不与终端发热电阻(14-B)连接；驱动电极(11)、所述引线(17)隔开地线(16)的部分、基于热电堆的终端式微波功率传感器(23)的热电堆部分、氮化钽材料构成的终端发热电阻(14-B)、以及空气桥(13)下方非地线的部分被氮化硅介质层(12)覆盖。

3.根据权利要求2所述的微电子机械定向耦合式微波功率传感器，其特征是主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁(9)、MEMS固支梁的锚区(10)、驱动电极(11)、空气桥(13)、引线(17)和电输入压焊块(18)的材料均为金。

4.根据权利要求1或2或3所述的微电子机械定向耦合式微波功率传感器，其特征是定向微波功率耦合器的副线隔离端口(4)设有氮化钽材料构成的终端隔离电阻(14-A)，终端隔离电阻(14-A)上覆盖氮化硅介质层(12)。

5.权利要求1-4任一项所述的微电子机械定向耦合式微波功率传感器的制备方法，其特征是基于GaAs MMIC工艺，包括以下步骤：

1)准备砷化镓衬底(19)：选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N⁺砷化镓的掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，其方块电阻值为100～130Ω/□，在衬底正面制备微电子机械定向耦合式微波功率传感器；

2)在外延的N⁺砷化镓衬底涂覆光刻胶，保留预备制作欧姆接触区和初步形成热电堆的半导体热偶臂的光刻胶，然后去除光刻胶地方的外延N⁺砷化镓被隔离，形成欧姆接触区，并初步形成热电堆的半导体热偶臂；

3)反刻步骤2)中初步形成的热电堆半导体热偶臂，完全形成其掺杂浓度为10¹⁷cm^-3的热电堆的半导体热偶臂(20)；

4)在步骤3)得到的衬底上涂覆光刻胶，去除预备制作热电堆的金属热偶臂(21)处的光刻胶；

5)在衬底上溅射金锗镍/金，其厚度共为

6)剥离去除步骤4)中留下的光刻胶，连带去除光刻胶上的金锗镍/金，形成热电堆的金属热偶臂(21)；

7)在步骤6)得到的衬底上涂覆光刻胶，去除预备制作终端隔离电阻(14-A)和终端发热电阻(14-B)处的光刻胶；

8)在衬底上溅射氮化钽，其厚度为1μm；

9)将步骤7)中留下的光刻胶剥离去除，连带去除光刻胶上面的氮化钽，初步形成由氮化钽构成的终端隔离电阻(14-A)和终端发热电阻(14-B)；

10)在砷化镓衬底上涂覆光刻胶，再去除预备制作主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁的锚区(10)、驱动电极(11)、引线(17)以及电输入压焊块(18)地方的光刻胶；

11)在衬底上通过蒸发方式生长一层金，其厚度为0.3μm；

12)将步骤10)留下的光刻胶剥离去除，连带去除了光刻胶上面的金，形成驱动电极(11)和引线(17)，并初步形成主线和副线CPW、主线和副线ACPS、MEMS固支梁的锚区(10)以及电输入压焊块(18)；

13)反刻氮化钽，形成与副线隔离端(4)相连接的终端隔离电阻(14-A)和与副线耦合输出端(3)相连接的终端发热电阻(14-B)，其方块电阻均为25Ω/□；

14)淀积氮化硅：在前面步骤处理得到的砷化镓衬底(19)上用等离子体增强型化学气相淀积法工艺PECVD生长

厚的氮化硅介质层；

15)光刻并刻蚀氮化硅介质层，保留覆盖在驱动电极(11)、空气桥(13)下方的CPW信号线、引线(17)、基于热电堆的终端式微波功率传感器(23)的热电堆部分、终端隔离电阻(14-A)以及终端发热电阻(14-B)上的氮化硅介质层；

16)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底(19)上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，填满所有凹坑，其中，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了MEMS固支梁(9)与其下方驱动电极(11)上的氮化硅介质层(12)之间的距离，以及空气桥(13)的高度；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS固支梁(9)和空气桥(13)下方的牺牲层；

17)通过蒸发方式生长用于电镀的底金：蒸发钛/金/钛，作为底金，其厚度为500/1500/

18)涂覆光刻胶，去除预备制作MEMS固支梁(9)、空气桥(13)、MEMS固支梁的锚区(10)、主线和副线CPW、主线和副线ACPS以及电输入压焊块(18)地方的光刻胶；

19)电镀一层金，其厚度为2μm；

20)去除步骤18)中留下的光刻胶；

21)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成MEMS固支梁(9)、空气桥(13)、以及完整的主线和副线CPW、主线和副线ACPS以及电输入压焊块(18)；

22)将该砷化镓衬底(19)背面减薄至100μm；

23)在砷化镓衬底(19)的背面涂覆光刻胶，去除预备在砷化镓背面形成膜结构(22)地方的光刻胶；

24)刻蚀减薄终端发热电阻(14-B)和热电堆的热端下方的砷化镓衬底，形成膜结构(22)，刻蚀80μm的衬底厚度，保留20μm的膜结构；

25)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS固支梁(9)和空气桥(13)下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干，得到微电子机械定向耦合式微波功率传感器。

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