CN102360039A

CN102360039A - 五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器及制备

Info

Publication number: CN102360039A
Application number: CN2011102294434A
Authority: CN
Inventors: 廖小平; 张志强
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2031-08-11
Also published as: CN102360039B

Abstract

本发明的五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器在砷化镓衬底上有五个用于传输微波信号的CPW输入端，它们彼此对称放置且相互之间呈72o的角，在每个CPW的输出端连接两个终端匹配电阻，每个终端电阻附近有一个热电偶，将这五对热电偶相互之间也呈72o的角放置并串联连接形成热电堆；同时在每个CPW上横跨一个MEMS悬臂梁，其悬臂梁的一端处于自由状态而另一端固定在锚区上，其锚区位于CPW地线的外侧，在CPW信号线和地线之间放置传感电极。它不但具有低损耗、高灵敏度和好的线性度，而且实现了五端口微波功率的测量，同时也能够检测其中哪些端口输入了微波功率及其功率大小的比例，具有高的集成度以及与砷化镓单片微波集成电路兼容的优点。

Description

五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器及制备

技术领域

本发明提出了五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器及制备，属于微电子机械系统（MEMS）的技术领域。

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。微波功率传感器类似于低频电路中的电压电流表。目前，基于MEMS技术的热电偶式微波功率传感器是被广泛应用的器件之一。它的工作原理为输入的待测微波功率从共面波导传输线的一端被引入，在传输线另一端连接的终端匹配电阻吸收该微波功率而转化为热，在终端匹配电阻附近放置热电堆探测终端匹配电阻附近的温差，基于Seebeck效应，产生热电势的输出，实现微波功率的测量。它具有低的损耗、高的灵敏度和好的线性度的优点，然而其最大的不足是一个微波功率传感器只能测量单一端口的输入微波功率，当测量多端口的微波功率时需要额外的电路或多个微波功率传感器实现。随着微电子技术的发展，现代个人通信系统和雷达系统要求一个微波功率传感器能够实现片上五端口输入微波功率的测量，同时能够检测其中哪些端口输入了微波功率及其功率大小的比例。现如今对MEMS悬臂梁结构进行了深入研究，使基于MEMS技术实现上述功能的悬臂梁电容型微波功率传感器成为可能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的五端口悬臂梁电容型微波功率传感器及制备，通过对称放置五个共面波导（CPW），它们相互之间呈72o的角，在每个CPW的输出端连接两个终端匹配电阻，每个终端匹配电阻附近有一个热电偶，将这五对热电偶也成对称放置并串联连接形成热电堆，这五对热电偶相互之间也同样呈72o的角，从而实现五端口微波功率的测量；并且在每个CPW上横跨一个MEMS悬臂梁，其悬臂梁一端处于自由状态而另一端固定在锚区上，其锚区位于CPW地线的外侧，在CPW信号线和地线之间放置传感电极，从而能够检测其中哪些端口输入了微波功率及其微波功率大小的比例；它大大减小了芯片面积，提高了集成度。

技术方案：本发明的五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器以砷化镓（GaAs）为衬底，在衬底上设有五个CPW、五个MEMS悬臂梁、悬臂梁的锚区、传感电极、传感电极的压焊块、十个终端匹配电阻、一个由十个热电偶构成五对热电偶而组成的热电堆、两个输出压焊块、一个金属散热片、空气桥以及连接线，在衬底下形成一个MEMS衬底膜结构：

CPW用于实现微波信号的传输，以及测试仪器和终端匹配电阻的电路连接。每个CPW由一条CPW的信号线和两条地线组成。

五个MEMS悬臂梁分别横跨在对称放置的五个CPW上，这五个MEMS悬臂梁相互之间呈72o的角，其悬臂梁的锚区不与CPW地线相连接，而位于CPW地线的外侧；每个悬臂梁的下方有一个传感电极，传感电极位于在CPW信号线和地线之间，悬臂梁下方的CPW信号线和地线以及传感电极被氮化硅介质层覆盖；传感电极通过连接线与CPW地线外侧的传感电极的压焊块相连接，被连接线隔开的CPW地线通过空气桥连接，其空气桥下方连接线被氮化硅介质层覆盖。通过测量MEMS悬臂梁的锚区和传感电极之间有无电容变化来检测其悬臂梁下方CPW上是否有微波功率的传输，同时也可以通过测量多端口的电容变化量的比例来确定输入到该CPW上微波功率量的比例。

终端匹配电阻被连接到CPW的输出端，完全吸收由CPW输入端传输的微波功率，并转换为热量。

热电堆是由十个热电偶构成五对热电偶而组成的，每个热电偶靠近一个终端匹配电阻，但不与该终端匹配电阻连接；热电堆靠近终端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被作为环境温度，即为热电堆的冷端，由于热电堆热冷两端温度的不同，根据Seebeck效应，在热电堆的输出压焊块上产生热电势的输出。

金属散热片被热电堆的冷端环绕，用于维持热电堆的冷端温度为环境温度，从而提高热电堆热冷两端的温差。

连接线用于传感电极与传感电极的压焊块之间、热电偶之间以及热电堆与输出压焊块之间的连接。

MEMS衬底膜结构位于终端匹配电阻和热电堆的热端下方，在其下方的GaAs衬底通过MEMS背面刻蚀技术去掉一部分，形成MEMS衬底膜结构，提高了热量由终端电阻向热电堆热端的传输效率从而提高热电堆热冷两端的温差。

在机械结构上，CPW、MEMS悬臂梁、悬臂梁的锚区、传感电极、传感电极的压焊块、终端匹配电阻、空气桥、热电堆、热电堆的输出压焊块、金属散热片以及连接线制作在同一块GaAs衬底上。

本发明的五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器通过对称放置五个CPW，它们相互之间呈72o的角，在每个CPW的输出端连接两个终端匹配电阻，每个终端匹配电阻附近有一个热电偶，将这五对热电偶也成对称放置并串联连接形成热电堆，这五对热电偶相互之间也同样呈72o的角，从而实现五端口微波功率的测量；并且在每个CPW上横跨一个MEMS悬臂梁，其悬臂梁的锚区位于CPW地线的外侧，在CPW信号线和地线之间放置传感电极，从而能够检测其中哪些端口输入了微波功率及其微波功率大小的比例。若五个CPW输入端都被连接到射频电路中，通过测量MEMS悬臂梁的锚区和传感电极之间有无电容变化来检测其悬臂梁下方CPW上是否有微波功率的传输；当一个、两个、三个、四个或者五个待测的微波信号分别通过一个、两个、三个、四个或者五个CPW输入端引入时，其CPW输出端并联的终端匹配电阻分别吸收这些微波功率而产生热量，使终端电阻周围的温度升高，放置在该终端电阻附近的热电偶分别测量其温度差，基于Seebeck效应，在热电堆的输出压焊块上产生热电势的输出，从而实现单输入、双输入、三输入、四输入或者五输入微波功率的测量；同时也可以通过测量MEMS悬臂梁的锚区和传感电极之间电容变化量的比例来确定输入到该CPW上微波功率量的比例。

五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器的制备为：

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重掺杂（一般浓度大于等于10¹⁸cm^-3）；

2）光刻并隔离外延的N^＋砷化镓，形成热电堆的半导体热偶臂的图形和欧姆接触区；

3）反刻由热电堆的半导体热偶臂的图形组成的N^＋砷化镓，形成轻掺杂（一般浓度小于10¹⁸cm^-3）的热电堆的半导体热偶臂；

4）光刻：去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；

5）溅射金锗镍/金；

6）剥离，形成热电堆的金属热偶臂；

7）光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；

8）溅射氮化钽；

9）剥离；

10）光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；

11）蒸发第一层金；

12）剥离，初步形成CPW、MEMS悬臂梁的锚区、传感电极、传感电极的压焊块、金属散热片、输出压焊块以及连接线；

13）反刻氮化钽，形成与CPW输出端相连接的终端匹配电阻，其方块电阻为25Ω/?；

14）淀积氮化硅：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺生长氮化硅介质层；

15）光刻并刻蚀氮化硅介质层：保留MEMS悬臂梁下方CPW信号线和地线、传感电极、以及空气桥下方连接线上的氮化硅；

16）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底上涂覆聚酰亚胺牺牲层，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS悬臂梁和空气桥下方的牺牲层；

17）蒸发钛/金/钛：蒸发用于电镀的底金；

18）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

19）电镀金；

20）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

21）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW、MEMS悬臂梁、悬臂梁的锚区、空气桥、传感电极的压焊块、金属散热片、输出压焊块以及连接线；

22）将该砷化镓衬底背面减薄（一般在50μm和150μm之间）；

23）背面光刻：去除在砷化镓背面形成膜结构地方的光刻胶；

24）刻蚀减薄终端电阻和热电堆的热端下方的砷化镓衬底，形成膜结构；

25）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁和空气桥下方的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

有益效果：本发明的五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器具有以下特点：1)低损耗、高灵敏度和好的线性度的传统热电式微波功率传感器的优点；2）实现了五端口微波功率的测量；3）当CPW上传输相同的微波信号时，与MEMS固支梁相比，利用MEMS悬臂梁横跨在CPW上，可提高MEMS悬臂梁和传感电极之间的电容变化量，且减小了芯片的面积；4）通过测量每个端口内电容变化量来检测其中哪些端口输入了微波功率及其微波功率大小的比例；5)高的集成度以及与砷化镓单片微波集成电路兼容的特点。

附图说明

图1是五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器的示意图；

图2是五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器的A-A剖面图；

图3是五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器的B-B剖面图；

图中包括：五个微波信号输入端1、2、3、4和5，CPW 6，MEMS悬臂梁7，悬臂梁的锚区8，传感电极9，空气桥10，氮化硅介质层11，传感电极的压焊块12，终端匹配电阻13，由十个热电偶14构成的热电堆，半导体热偶臂15，金属热偶臂16，金属散热片17，输出压焊块18，连接线19，MEMS衬底的膜结构20，砷化镓衬底21。

具体实施方式

本文发明的五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器的具体实施方案如下：

在砷化镓衬底21上设有五个CPW 6、五个MEMS悬臂梁7、悬臂梁的锚区8、传感电极9、传感电极的压焊块12、十个终端匹配电阻13、一个由十个热电偶14构成五对热电偶14而组成的热电堆、两个输出压焊块18、一个金属散热片17、空气桥10以及连接线19，在衬底21下形成一个MEMS衬底膜结构20：

CPW 6用于实现微波信号的传输，以及测试仪器和终端匹配电阻13的电路连接。每个CPW 6由一条CPW的信号线和两条地线组成。

五个MEMS悬臂梁7分别横跨在对称放置的五个CPW 6上，这五个MEMS悬臂梁7相互之间呈72o的角，其悬臂梁的锚区8不与CPW地线相连接，而位于CPW地线的外侧；每个悬臂梁7的下方有一个传感电极9，传感电极9位于在CPW信号线和地线之间，悬臂梁7下方的CPW信号线和地线以及传感电极9被氮化硅介质层11覆盖；传感电极9通过连接线19与CPW地线外侧的传感电极的压焊块12相连接，被连接线19隔开的CPW地线通过空气桥10连接，其空气桥10下方连接线19被氮化硅介质层11覆盖。通过测量MEMS悬臂梁的锚区8和传感电极9之间有无电容变化来检测其悬臂梁7下方CPW 6上是否有微波功率的传输，同时也可以通过测量多端口的电容变化量的比例来确定输入到该CPW 6上微波功率量的比例。

终端匹配电阻13被连接到CPW 6的输出端，完全吸收由CPW输入端1、2、3、4和5传输的微波功率，并转换为热量。

热电堆是由十个热电偶14构成五对热电偶14而组成的，每个热电偶14靠近一个终端匹配电阻13，但不与该终端电阻13连接；热电堆靠近终端电阻13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被作为环境温度，即为热电堆的冷端，由于热电堆热冷两端温度的不同，根据Seebeck效应，在热电堆的输出压焊块18上产生热电势的输出。

金属散热片17被热电堆的冷端环绕，用于维持热电堆的冷端温度为环境温度，从而提高热电堆热冷两端的温差。

连接线19用于传感电极9与传感电极的压焊块12之间、热电偶14之间以及热电堆与输出压焊块18之间的连接。

MEMS衬底膜结构20位于终端匹配电阻13和热电堆的热端下方，在其下方的GaAs衬底21通过MEMS背面刻蚀技术去掉一部分，形成MEMS衬底膜结构20，提高了热量由终端电阻13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。

在机械结构上，CPW 6、MEMS悬臂梁7、悬臂梁的锚区8、传感电极9、传感电极的压焊块12、空气桥10、终端匹配电阻13、热电堆、输出压焊块18、金属散热片17以及连接线19制作在同一块GaAs衬底21上。

本发明的五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器通过对称放置五个CPW 6，它们相互之间呈72o的角，在每个CPW 6的输出端连接两个终端匹配电阻13，每个终端匹配电阻13附近有一个热电偶14，将这五对热电偶14也成对称放置并串联连接形成热电堆，这五对热电偶14相互之间也同样呈72o的角，从而实现五端口微波功率的测量；并且在每个CPW 6上横跨一个MEMS悬臂梁7，其悬臂梁的锚区8位于CPW地线的外侧，在CPW信号线和地线之间放置传感电极9，从而能够检测其中哪些端口输入了微波功率及其微波功率大小的比例。若五个CPW输入端1、2、3、4和5都被连接到射频电路中，通过测量MEMS悬臂梁的锚区8和传感电极9之间有无电容变化来检测其悬臂梁7下方CPW 6上是否有微波功率的传输；当一个、两个、三个、四个或者五个待测的微波信号分别通过一个、两个、三个、四个或者五个CPW输入端1、2、3、4和5引入时，其CPW 6输出端并联的终端匹配电阻13分别吸收这些微波功率而产生热量，使终端电阻13周围的温度升高，放置在该终端电阻13附近的热电偶17分别测量其温度差，基于Seebeck效应，在热电堆的输出压焊块18上产生热电势的输出，从而实现单输入、双输入、三输入、四输入或者五输入微波功率的测量；同时也可以通过测量MEMS悬臂梁的锚区8和传感电极9之间电容变化量的比例来确定输入到该CPW 6上微波功率量的比例。

五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器的制备为：

1）准备砷化镓衬底21：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重掺杂（一般浓度大于等于10¹⁸cm^-3）；

3）反刻由热电堆的半导体热偶臂的图形组成的N^＋砷化镓，形成轻掺杂（一般浓度小于10¹⁸cm^-3）的热电堆的半导体热偶臂15；

4）光刻：去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；

5）溅射金锗镍/金；

6）剥离，形成热电堆的金属热偶臂16；

7）光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；

8）溅射氮化钽；

9）剥离；

10）光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；

11）蒸发第一层金；

12）剥离，初步形成CPW 6、MEMS悬臂梁的锚区8、传感电极9、传感电极的压焊块12、金属散热片17、输出压焊块18以及连接线19；

13）反刻氮化钽，形成与CPW输出端相连接的终端匹配电阻13，其方块电阻为25Ω/?；

15）光刻并刻蚀氮化硅介质层11：保留MEMS悬臂梁7下方CPW信号线和地线、传感电极9、以及空气桥10下方的连接线19上的氮化硅；

16）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底21上涂覆聚酰亚胺牺牲层，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS悬臂梁7和空气桥10下方的牺牲层；

17）蒸发钛/金/钛：蒸发用于电镀的底金；

18）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

19）电镀金；

20）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

21）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW 6、MEMS悬臂梁7、悬臂梁的锚区8、空气桥10、传感电极的压焊块12、金属散热片17、输出压焊块18以及连接线19；

22）将该砷化镓衬底21背面减薄（一般在50μm和150μm之间）；

24）刻蚀减薄终端电阻13和热电堆的热端下方的砷化镓衬底21，形成膜结构20；

25）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁7和空气桥10下方的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

区分是否为该结构的标准如下：

（1）微波信号的引入和传输采用CPW 6来实现；

（2）本发明的五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器具有五个CPW 6，它们对称放置且相互之间呈72o的角；

（3）在每个CPW的输出端并联连接两个终端匹配电阻13，每个终端匹配电阻13附近有一个热电偶14，将这五对热电偶14也成对称放置并串联连接形成热电堆，这五对热电偶14相互之间同样呈72o的角；

（4）五个MEMS悬臂梁7分别横跨在五个CPW 6上，它们相互之间也呈72o的角，其悬臂梁的一端未被固定而处于自由状态，悬臂梁的另一端固定在一个锚区8上；其锚区位于CPW地线的外侧，在CPW信号线和地线之间放置一个传感电极9；

满足以上条件的结构即视为本发明的五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器。

Claims

1.一种五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器，制作在砷化镓衬底（21）上，在其上设有五个CPW（6）、五个MEMS悬臂梁（7）、悬臂梁的锚区（8）、传感电极（9）、传感电极的压焊块（12）、十个终端匹配电阻（13）、一个由十个热电偶（14）构成五对热电偶（14）而组成的热电堆、两个输出压焊块（18）、一个金属散热片（17）、空气桥（10）以及连接线（19），在衬底（21）下形成一个MEMS衬底膜结构（20），其特征在于该结构具有五个用于传输微波信号的CPW输入端（1、2、3、4和5），它们彼此对称放置且相互之间呈72o的角，每个CPW（6）上方有一个MEMS悬臂梁（7），在每个CPW（6）的输出端连接两个终端匹配电阻（13），每个终端匹配电阻（13）附近有一个热电偶（14），将这五对热电偶（14）也成对称放置并串联连接形成热电堆，这五对热电偶（14）相互之间也同样呈72o的角；金属散热片（17）被热电堆的冷端环绕；MEMS衬底膜结构（20）位于终端匹配电阻（13）和热电堆的热端下方。

2.根据权利要求1所述的五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器，其特征在于每个MEMS悬臂梁（7）的一端未被固定而处于自由状态，其MEMS悬臂梁（7）的另一端固定在锚区（8）上。

3.根据权利要求1所述的五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器，其特征在于五个MEMS悬臂梁（7）分别横跨在对称放置的五个CPW（6）上，这五个MEMS悬臂梁（7）相互之间呈72o的角，其悬臂梁的锚区（8）不与CPW地线相连接，而位于CPW地线的外侧；每个悬臂梁（7）下方有一个传感电极（9），传感电极（9）位于在CPW信号线和地线之间，悬臂梁（7）下方的CPW信号线和地线以及传感电极（9）被氮化硅介质层（11）覆盖；传感电极（9）通过连接线（19）与CPW地线外侧的传感电极的压焊块（12）相连接，被连接线（19）隔开的CPW地线通过空气桥（10）连接，其空气桥（10）下方的连接线（19）被氮化硅介质层（11）覆盖。

4.一种如权利要求1所述的五端口基于微机械悬臂梁电容型微波功率传感器的制备，其特征在于制备方法为：

1）准备砷化镓衬底（21）：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重掺杂，其重掺杂的浓度一般大于等于10¹⁸cm^-3；

3）反刻由热电堆的半导体热偶臂的图形组成的N^＋砷化镓，形成轻掺杂的热电堆的半导体热偶臂（15），其轻掺杂的浓度一般小于10¹⁸cm^-3；

4）光刻：去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；

5）溅射金锗镍/金；

6）剥离，形成热电堆的金属热偶臂（16）；

7）光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；

8）溅射氮化钽；

9）剥离；

10）光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；

11）蒸发第一层金；

12）剥离，初步形成CPW（6）、MEMS悬臂梁的锚区（8）、传感电极（9）、传感电极的压焊块（12）、金属散热片（17）、输出压焊块（18）以及连接线（19）；

13）反刻氮化钽，形成与CPW输出端相连接的终端匹配电阻（13），其方块电阻为25Ω/?；

15）光刻并刻蚀氮化硅介质层（11）：保留MEMS悬臂梁（7）下方CPW信号线和地线、传感电极（9）以及空气桥（10）下方连接线（19）上的氮化硅；

16）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底（21）上涂覆聚酰亚胺牺牲层，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS悬臂梁（7）和空气桥（10）下方的牺牲层；

17）蒸发钛/金/钛：蒸发用于电镀的底金；

18）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

19）电镀金；

20）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

21）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW（6）、MEMS悬臂梁（7）、悬臂梁的锚区（8）、空气桥（10）、传感电极的压焊块（12）、金属散热片（17）、输出压焊块（18）以及连接线（19）；

22）将该砷化镓衬底（21）背面减薄，其厚度一般在50μm和150μm之间；

24）刻蚀减薄终端电阻（13）和热电堆的热端下方的砷化镓衬底（21），形成膜结构（20）；

25）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁（7）和空气桥（10）下方的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。