CN102385001A - 三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器，通过把三个主线CPW相互之间呈120o的角放置，在每个主线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，将这三对热电偶相互之间也同样呈120o的角放置并串联连接形成热电堆，从而实现三通道微波功率的测量；同时在每个主线CPW信号线上横跨一个MEMS悬臂梁，MEMS悬臂梁的一端未被固定而另一端通过悬臂梁的锚区与副线CPW信号线相连接，其副线CPW另一端也连接两个终端匹配电阻，在这两个终端匹配电阻附近有一个热电堆，从而能够检测其中哪些通道输入了微波功率及其微波功率大小的比例；同时它具有低损耗、高灵敏度、好的线性度、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
技术领域
本发明提出了三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器及制备方法，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。在微波信号的产生、传输及接收等各个环节的研究中，微波功率的测量是必不可少的，它已成为电磁测量的重要组成部分。近年来，随着MEMS技术的快速发展，国外提出了基于热电偶的终端式微波功率传感器，其工作原理为利用终端匹配电阻吸收输入待测的微波功率而产生热，并通过放置终端匹配电阻附近的热电堆探测该匹配电阻附近的温差，并将之转化为热电势输出，实现微波功率的测量。它具有结构简单、体积小、性能较优良，且与硅或砷化镓微机械加工工艺兼容等优点。本发明即为基于此工作原理的微波功率传感器。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的三通道悬臂梁间接式微波功率传感器及制备方法，通过把三个主线共面波导（CPW）相互之间呈120o的角放置，在每个主线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，将这三对热电偶相互之间也同样呈120o的角放置并串联连接形成热电堆，从而实现三通道微波功率的测量；同时在每个主线CPW信号线上横跨一个MEMS悬臂梁，其悬臂梁下方有绝缘介质层，MEMS悬臂梁的一端未被固定而另一端通过固定在锚区上与副线CPW信号线相连接，在这副线CPW另一端也连接两个终端匹配电阻，在这两个终端匹配电阻附近有一个热电堆，从而能够检测其中哪些通道输入了微波功率及其微波功率大小的比例。
技术方案：本发明的三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器，包括砷化镓（GaAs）衬底、CPW、三个MEMS悬臂梁结构、绝缘介质层、热电堆、终端匹配电阻、一个金属散热片、空气桥以及MEMS衬底膜结构：所述CPW包括主线CPW和副线CPW；所述MEMS悬臂梁结构包括MEMS悬臂梁和锚区；所述热电堆包括一个由六个热电偶构成三对热电偶而组成的热电堆、六个位于副线CPW连接的终端匹配电阻附近的热电堆、输出压焊块和连接线。
所述CPW用于实现微波信号的传输，以及测试仪器、MEMS悬臂梁结构和终端匹配电阻的电路连接。CPW是由CPW的信号线和地线组成。
一般副线CPW信号线的输入端部分和相应的主线CPW信号线成垂直关系。
所述三个MEMS悬臂梁分别横跨在对称放置的三个主线CPW信号线上，这三个MEMS悬臂梁相互之间呈120o的角，MEMS悬臂梁的一端未被固定而另一端固定在锚区上，所述锚区通过副线CPW信号线与两个终端匹配电阻相连接，所述MEMS悬臂梁下方设有绝缘介质层。被副线CPW信号线隔开的CPW地线通过空气桥连接，其空气桥下方的副线CPW信号线被聚酰亚胺绝缘介质层覆盖。
所述终端匹配电阻被连接到主副线CPW的输出端，完全吸收由主副线CPW输入端传输的微波功率，并转换为热量。
所述热电堆是由热电偶串联连接而组成的，每个热电偶靠近终端匹配电阻，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。
所述金属散热片被由六个热电偶构成三对热电偶而组成的热电堆的冷端环绕，用于维持该热电堆的冷端温度为环境温度，从而提高该热电堆热冷两端的温差。
所述连接线用于热电偶之间以及热电堆与输出压焊块之间的连接。
所述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。
本发明的三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器通过对称放置三个主线CPW，它们相互之间呈120o的角，在每个主线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，将这三对热电偶相互之间也同样呈120o的角放置并串联连接形成热电堆，从而实现三通道微波功率的测量；并且在每个主线CPW信号线上横跨一个MEMS悬臂梁，在该悬臂梁下方有聚酰亚胺绝缘介质层，MEMS悬臂梁的一端未被固定而另一端固定在锚区上，其悬臂梁的锚区通过副线CPW信号线与两个终端匹配电阻相连接，在这两个终端匹配电阻附近有一个热电堆，从而实现了由MEMS悬臂梁从主线CPW上耦合出一定比例的微波功率到副线CPW上，且能够检测其中哪些通道输入了微波功率及其微波功率大小的比例。三个主线CPW输入端都被连接到射频电路中，如果微波信号功率被MEMS悬臂梁从主线CPW上耦合出一定比例到副线CPW上，在MEMS悬臂梁的锚区相连接的副线CPW上的微波功率完全被其相应的终端电阻吸收转为热量，靠近该终端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，则在该热电堆的输出压焊块上产生热电势的输出，从而通过测量是否有微波功率被MEMS悬臂梁从主线CPW耦合到副线CPW上来检测该通道是否有微波功率的传输；当一个、两个或者三个待测的微波信号分别通过一个、两个或者三个主线CPW输入端引入时，在这些主线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，在主线CPW相连接的终端电阻附近的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、双输入或者三输入微波功率的测量；同时也可以通过测量多通道内分别被MEMS悬臂梁耦合到副线CPW上的微波功率而转化为热电势的比例来确定输入到该主线CPW上微波功率量的比例。
三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器的制备方法为：
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，初步形成主副线CPW、MEMS悬臂梁的锚区、金属散热片、输出压焊块以及连接线；
13）反刻氮化钽，形成与主副线CPW输出端相连接的终端匹配电阻，其方块电阻为25Ω/?；
14）淀积并光刻聚酰亚胺绝缘介质层：在砷化镓衬底上涂覆聚酰亚胺绝缘介质层，光刻聚酰亚胺层，仅保留MEMS悬臂梁和空气桥下方的绝缘介质层；
15）蒸发钛/金/钛：蒸发用于电镀的底金；
16）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
17）电镀金；
18）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；
19）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成主副线CPW、MEMS悬臂梁、悬臂梁的锚区、空气桥、金属散热片、输出压焊块以及连接线；
20）将该砷化镓衬底背面减薄（一般在50μm和150μm之间）；
21）背面光刻：去除在砷化镓背面形成膜结构地方的光刻胶；
22）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。
有益效果：本发明的三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器不但具有低损耗、高灵敏度和好的线性度等传统热电式微波功率传感器的优点，而且实现了三通道微波功率的测量，同时也能够检测其中哪些通道输入了微波功率及其微波功率大小的比例，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。
附图说明
图1是三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器的示意图；
图2是三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器的A-A剖面图；
图3是三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器的B-B剖面图；
图中包括：微波信号输入端1、2和3，主副线CPW 4，MEMS悬臂梁5，悬臂梁的锚区6，聚酰亚胺绝缘介质层7，空气桥8，终端匹配电阻9，热电偶10，半导体热偶臂11，金属热偶臂12，金属散热片13，输出压焊块14，连接线15，MEMS衬底的膜结构16，砷化镓衬底17。
具体实施方式
本文发明的三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器的具体实施方案如下：
在砷化镓衬底17上设有CPW 4、三个MEMS悬臂梁结构、绝缘介质层7、热电堆、终端匹配电阻9、一个金属散热片13、空气桥8以及MEMS衬底膜结构16：所述CPW 4包括主线CPW 4和副线CPW 4；所述MEMS悬臂梁结构包括MEMS悬臂梁5和锚区6；所述热电堆包括一个由六个热电偶10构成三对热电偶10而组成的热电堆、六个位于副线CPW 4连接的终端匹配电阻9附近的热电堆、输出压焊块14和连接线15。
所述CPW 4用于实现微波信号的传输，以及测试仪器、MEMS悬臂梁结构和终端匹配电阻9的电路连接。CPW 4是由CPW的信号线和地线组成。
一般副线CPW信号线的输入端部分和相应的主线CPW信号线成垂直关系。
所述三个MEMS悬臂梁5分别横跨在对称放置的三个主线CPW信号线上，这三个MEMS悬臂梁5相互之间呈120o的角，MEMS悬臂梁5的一端未被固定而另一端固定在锚区6上，所述锚区6通过副线CPW信号线与两个终端匹配电阻9相连接，所述MEMS悬臂梁5下方设有绝缘介质层7。被副线CPW信号线隔开的CPW地线通过空气桥8连接，其空气桥8下方的副线CPW信号线被聚酰亚胺绝缘介质层7覆盖。
所述终端匹配电阻9被连接到主副线CPW 4的输出端，完全吸收由主副线CPW 4输入端传输的微波功率，并转换为热量。
所述热电堆是由热电偶10串联连接而组成的，每个热电偶10靠近终端匹配电阻9，但不与该终端匹配电阻9连接；热电堆靠近终端电阻9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14上产生热电势的输出。
所述金属散热片13被由六个热电偶10构成三对热电偶10而组成的热电堆的冷端环绕，用于维持该热电堆的冷端温度为环境温度，从而提高该热电堆热冷两端的温差。
所述连接线15用于热电偶10之间以及热电堆与输出压焊块14之间的连接。
所述MEMS衬底膜结构16位于终端匹配电阻9和热电堆的热端下方，在其下方的GaAs衬底17通过MEMS背面刻蚀技术去掉一部分，形成MEMS衬底膜结构16，提高了热量由终端电阻9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。
本发明的三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器通过对称放置三个主线CPW 4，它们相互之间呈120o的角，在每个主线CPW 4的输出端连接两个终端匹配电阻9，每个终端匹配电阻9附近有一个热电偶10，将这三对热电偶10相互之间也同样呈120o的角放置并串联连接形成热电堆，从而实现三通道微波功率的测量；并且在每个主线CPW信号线上横跨一个MEMS悬臂梁5，在该悬臂梁5下方有聚酰亚胺绝缘介质层7，MEMS悬臂梁5的一端未被固定而另一端固定在锚区6上，其悬臂梁的锚区6通过副线CPW信号线与两个终端匹配电阻9相连接，在这两个终端匹配电阻9附近有一个热电堆，从而实现了由MEMS悬臂梁5从主线CPW 4上耦合出一定比例的微波功率到副线CPW 4上，且能够检测其中哪些通道输入了微波功率及其微波功率大小的比例。三个主线CPW 4输入端都被连接到射频电路中，如果微波信号功率被MEMS悬臂梁5从主线CPW 4上耦合出一定比例到副线CPW 4上，在MEMS悬臂梁的锚区6相连接的副线CPW 4上的微波功率完全被其相应的终端电阻9吸收转为热量，靠近该终端电阻9的热电堆吸收到这种热量，引起热电堆热冷两端存在温差，则在该热电堆的输出压焊块14上产生热电势的输出，从而通过测量是否有微波功率被MEMS悬臂梁5从主线CPW 4耦合到副线CPW 4上来检测该通道是否有微波功率的传输；当一个、两个或者三个待测的微波信号分别通过一个、两个或者三个主线CPW输入端1、2和3引入时，在这些主线CPW 4输出端并联的终端匹配电阻9分别吸收这些微波功率而产生热量，使终端电阻9周围的温度升高，放置在该终端电阻9附近的热电偶10分别测量其温度差，基于Seebeck效应，在主线CPW 4相连接的终端电阻9附近的热电堆的输出压焊块14上产生热电势的输出，从而实现单输入、双输入或者三输入微波功率的测量；同时也可以通过测量多通道内分别被MEMS悬臂梁5耦合到副线CPW 4上的微波功率而转化为热电势的比例来确定输入到该主线CPW 4上微波功率量的比例。
三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器的制备方法为：
1）准备砷化镓衬底17：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11的图形和欧姆接触区；
3）反刻由热电堆的半导体热偶臂11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11；
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12；
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，初步形成主副线CPW 4、MEMS悬臂梁的锚区6、金属散热片13、输出压焊块14以及连接线15；
13）反刻氮化钽，形成与主副线CPW 4输出端相连接的终端匹配电阻9，其方块电阻为25Ω/?；
14）淀积并光刻聚酰亚胺绝缘介质层7：在砷化镓衬底17上涂覆聚酰亚胺绝缘介质层7，光刻聚酰亚胺层7，仅保留MEMS悬臂梁5和空气桥8下方的绝缘介质层7；
15）蒸发钛/金/钛：蒸发用于电镀的底金；
16）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
17）电镀金；
18）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；
19）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成主副线CPW 4、MEMS悬臂梁5、悬臂梁的锚区6、空气桥8、金属散热片13、输出压焊块14以及连接线15；
20）将该砷化镓衬底17背面减薄（一般在50μm和150μm之间）；
21）背面光刻：去除在砷化镓17背面形成膜结构地方的光刻胶；
22）刻蚀减薄终端电阻9和热电堆的热端下方的砷化镓衬底17，形成膜结构16。
区分是否为该结构的标准如下：
本发明的三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器，通过把三个主线CPW 4相互之间呈120o的角放置，在每个主线CPW 4的输出端连接两个终端匹配电阻9，每个终端匹配电阻9附近有一个热电偶10，将这三对热电偶10相互之间也同样呈120o的角放置并串联连接形成热电堆，从而实现三通道微波功率的测量；同时在每个主线CPW信号线上横跨一个MEMS悬臂梁5，其悬臂梁5下方有绝缘介质层7，MEMS悬臂梁5的一端未被固定而另一端通过固定在锚区6上与副线CPW信号线相连接，在这副线CPW 4另一端也连接两个终端匹配电阻9，在这两个终端匹配电阻9附近有一个热电堆，从而能够检测其中哪些通道输入了微波功率及其微波功率大小的比例；满足以上条件的结构即视为本发明的三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器。
Claims (4)
1.一种三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器，制作在砷化镓衬底（17）上，在其上设有CPW（4）、三个MEMS悬臂梁结构、绝缘介质层（7）、热电堆、终端匹配电阻（9）、一个金属散热片（13）、空气桥（8）以及MEMS衬底膜结构（16）：所述CPW（4）包括主线CPW（4）和副线CPW（4）；所述MEMS悬臂梁结构包括MEMS悬臂梁（5）和锚区（6）；所述热电堆包括一个由六个热电偶（10）构成三对热电偶（10）而组成的热电堆、六个位于副线CPW（4）连接的终端匹配电阻（9）附近的热电堆、输出压焊块（14）和连接线（15），其特征在于该结构具有三个用于引入微波信号的主线CPW输入端（1、2和3），它们彼此对称放置且相互之间呈120o的角，每个主线CPW（4）信号线上方有一个MEMS悬臂梁（5），在每个主线CPW（4）的输出端连接两个终端匹配电阻（9），每个终端匹配电阻（9）附近有一个热电偶（10），将这三对热电偶（10）相互之间也同样呈120o的角放置并串联连接形成热电堆。
2.根据权利要求1所述的三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器，其特征在于三个MEMS悬臂梁（5）分别横跨在对称放置的三个主线CPW信号线上，这三个MEMS悬臂梁（5）相互之间呈120o的角，MEMS悬臂梁（5）的一端未被固定而另一端固定在锚区（6）上，所述锚区（6）通过副线CPW信号线与两个终端匹配电阻（9）相连接，所述MEMS悬臂梁（5）下方设有绝缘介质层（7），被副线CPW信号线隔开的CPW地线通过空气桥（8）连接，其空气桥（8）下方的副线CPW信号线被聚酰亚胺绝缘介质层（7）覆盖。
3.根据权利要求1所述的三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器，其特征在于金属散热片（13）被由六个热电偶（10）构成三对热电偶（10）而组成的热电堆的冷端环绕；连接线（15）用于热电偶（10）之间以及热电堆与输出压焊块（14）之间的连接；MEMS衬底膜结构（16）位于终端匹配电阻（9）和热电堆的热端下方。
4.一种如权利要求1所述的三通道微机械悬臂梁间接式微波功率传感器的制备方法，其特征在于制备方法为：
1）准备砷化镓衬底（17）：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；
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（11）的图形和欧姆接触区；
3）反刻由热电堆的半导体热偶臂（11）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（11），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（12）；
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，初步形成主副线CPW（4）、MEMS悬臂梁的锚区（6）、金属散热片（13）、输出压焊块（14）以及连接线（15）；
13）反刻氮化钽，形成与主副线CPW（4）输出端相连接的终端匹配电阻（9），其方块电阻为25Ω/?；
14）淀积并光刻聚酰亚胺绝缘介质层（7）：在砷化镓衬底（17）上涂覆聚酰亚胺绝缘介质层（7），光刻聚酰亚胺层（7），仅保留MEMS悬臂梁（5）和空气桥（8）下方的绝缘介质层（7）；
15）蒸发钛/金/钛：蒸发用于电镀的底金；
16）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
17）电镀金；
18）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；
19）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成主副线CPW（4）、MEMS悬臂梁（5）、悬臂梁的锚区（6）、空气桥（8）、金属散热片（13）、输出压焊块（14）以及连接线（15）；
20）将该砷化镓衬底（17）背面减薄至一般在50μm和150μm之间；
21）背面光刻：去除在砷化镓（17）背面形成膜结构地方的光刻胶；
22）刻蚀减薄终端电阻（9）和热电堆的热端下方的砷化镓衬底（17），形成膜结构（16）。
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