CN102735927A - 基于微机械硅基悬臂梁的频率检测器及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微机械硅悬臂梁的频率检测器及检测方法，该频率检测器包括功率分配器（P）、90度移相器(Y)、低通滤波器(L)和硅基金属-氧化物-半导体场效应管，功率分配器，用于接收待测微波信号，并将该待测微波信号分成幅度、相位相同的两个支路信号。检测方法包括如下步骤：当在下拉电极（81）加载直流偏置时，悬臂梁（7）被下拉且与栅极（5）接触时，两路微波信号同时加载到栅极（5）上，硅基金属-氧化物-半导体场效应管处在频率检测状态，源极（2）和漏极（3）之间的饱和电流输出包含了待测信号频率信息的电流分量，通过检测饱和电流的大小最终实现频率检测。本发明结构简单，易于测量。
Description
技术领域
本发明提出了基于微机械硅基悬臂梁的频率检测器，属于微电子机械系统（MEMS）的技术领域。
背景技术
微波信号频率检测器在雷达电子探测系统和微波通信领域有着广泛的应用。已有的微波频率检测器其原理是设法将被测量频率直接或者间接地与标准频率进行比较。按照具体进行实现的方式不同，使用广泛的频率测量方法可分为以下四种：外差法、计数法、谐振法和比相法，它们具有高精度和宽频带的优点，然而其最大的缺点是需要比较精密的测量仪器。近年来，随着MEMS技术的快速发展，并对MEMS悬臂梁结构进行了深入的研究，使基于MEMS悬臂梁技术实现上述功能的Si MOSFET（硅基金属-氧化物-半导体场效应管）微波频率检测器成为可能。
发明内容
技术问题：利用Si CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺加工，本发明提供了一种基于微机械硅悬臂梁的频率检测器及检测方法，待测信号经过功分器和90度移相器后产生两路频率相同存在90度相位差的微波信号，分别加载在Si MOSFET的栅极和MEMS悬臂梁的锚区上，当下拉电极加直流偏置而使MEMS悬臂梁处于向下拉的状态时，两路信号同时加载到MOSFET的栅极上，通过检测源漏极饱和电流，得到待测微波信号的频率。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于微机械硅悬臂梁的频率检测器，该频率检测器包括
功率分配器、90度移相器、低通滤波器和硅基金属-氧化物-半导体场效应管，
功率分配器，用于接收待测微波信号，并将该待测微波信号分成幅度、相位相同的两个支路信号，即第一路微波信号和第二路微波信号，并分别输出给硅基金属-氧化物-半导体场效应管和90度移相器；
90度移相器，用于接收所述第二路微波信号，将该第二路微波信号延迟，将该信号产生一个与频率成正比的相移后，输出第三路微波信号给Si MOSFET结构；
低通滤波器，用于通过隔直电容与硅基金属-氧化物-半导体场效应管（Si MOSFET）相连，滤去其输出的高频信号，得到与频率相关的电流信号；
Si MOSFET，用于实现相位的检测；其中，
Si MOSFET包括硅衬底，生长在硅衬底表面上的用于输出饱和电流的源极和漏极，源极与漏极相对设置，在源极或漏极的外侧设有悬臂梁锚区，跨接在源极和漏极之间的栅氧化层，设置在栅氧化层表面的栅极，设置在在该栅极上方且与栅极相对的悬臂梁，悬臂梁的一侧与悬臂梁锚区相连，
在栅极远离悬臂梁锚区的一侧设有下拉电极，下拉电极被绝缘介质层覆盖；
源极接地，漏极接正电压，栅极接正电压；
功率分配器输出的第一路微波信号输出给栅极；
90度移相器的输出的第三路微波信号输出给Si MOSFET的悬臂梁锚区
本发明还提供了一种用于基于微机械硅悬臂梁的频率检测器的频率检测方法，该方法包括如下步骤：
源极和漏极用于输出饱和电流，由N型重掺杂区构成；当Si MOSFET正常工作情况下，源极接地，漏极接正电压，N型沟道中的电子将从源极流向漏极，电流方向由漏极到源极，栅极由多晶硅构成，接正电压；
待测微波信号经过功率分配器分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号直接连接到栅极，另一路信号经过一个90度线性移相器之后连接到悬臂梁的锚区；当下拉电极上没有直流偏置时，悬臂梁位于栅极上方，Si MOSFET处于非频率检测状态；
当在下拉电极加载直流偏置时，悬臂梁被下拉且与栅极接触时，两路微波信号同时加载到栅极上，Si MOSFET处在频率检测状态，源极和漏极之间的饱和电流输出包含了待测信号频率信息的电流分量，通过检测饱和电流的大小最终实现频率检测。
有益效果：与现有的频率检测器相比，这种新型的基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET频率检测器具有以下显著的优点：
1、Si MOSFET的源漏极饱和电流由两个电压共同控制，输出电流包含两个栅电压的乘积分量，起到了频率检测的作用；
2、MEMS悬臂梁可动结构和下拉电极的存在，使得频率检测器可以处在检测和非检测状态下；
该频率检测器的制作基于后CMOS微机械加工工艺，采用标准的CMOS技术。
附图说明
图1是基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET频率检测器的俯视图；
图2是基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET频率检测器的A-A’剖面图；
图3是基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET频率检测器的B-B’剖面图；
图中包括： Si衬底1，源极2，漏极3，栅氧化层4，栅极5，MEMS悬臂梁锚区6，MEMS悬臂梁7，下拉电极8，锚区压焊块9，下拉电极压焊块10，栅极压焊块11，下拉电极介质层12。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1-3，本发明提供的基于微机械硅悬臂梁的频率检测器，该频率检测器包括
功率分配器P、90度移相器Y、低通滤波器L和Si MOSFET，
功率分配器，用于接收待测微波信号，并将该待测微波信号分成幅度、相位相同的两个支路信号，即第一路微波信号和第二路微波信号，并分别输出给Si MOSFET和90度移相器；
90度移相器，用于接收所述第二路微波信号，将该第二路微波信号延迟，将该信号产生一个与频率成正比的相移后，输出第三路微波信号给Si MOSFET结构；
低通滤波器，用于通过隔直电容与Si MOSFET相连，滤去其输出的高频信号，得到与频率相关的电流信号；
Si MOSFET，用于实现相位的检测；其中，
Si MOSFET包括硅衬底1，生长在硅衬底1表面上的用于输出饱和电流的源极2和漏极3，源极2与漏极3相对设置，在源极2或漏极3的外侧设有悬臂梁锚区6，跨接在源极2和漏极3之间的栅氧化层4，设置在栅氧化层4表面的栅极5，设置在在该栅极5上方且与栅极5相对的悬臂梁7，悬臂梁7的一侧与悬臂梁锚区6相连，
在栅极5远离悬臂梁锚区6的一侧设有下拉电极8，下拉电极8被绝缘介质层12覆盖；
源极2接地，漏极3接正电压，栅极5接正电压；
功率分配器输出的第一路微波信号输出给栅极5；
90度移相器的输出的第三路微波信号输出给Si MOSFET的悬臂梁锚区6。
本发明还提供了一种用于基于微机械硅悬臂梁的频率检测器的频率检测方法，该方法包括如下步骤：
源极2和漏极3用于输出饱和电流，由N型重掺杂区构成；当Si MOSFET正常工作情况下，源极2接地，漏极3接正电压，N型沟道中的电子将从源极2流向漏极3，电流方向由漏极3到源极2，栅极5由多晶硅构成，接正电压；
待测微波信号经过功率分配器P分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号直接连接到栅极5，另一路信号经过一个90度线性移相器之后连接到悬臂梁的锚区6；当下拉电极8上没有直流偏置时，悬臂梁7位于栅极5上方，Si MOSFET处于非频率检测状态；
当在下拉电极8和加载直流偏置时，悬臂梁7被下拉且与栅极5接触时，两路微波信号同时加载到栅极5上，Si MOSFET处在频率检测状态，源极2和漏极3之间的饱和电流输出包含了待测信号频率信息的电流分量，通过检测饱和电流的大小最终实现频率检测。
本发明的频率检测器的组成部分包括：基于MEMS悬臂梁结构的Si MOSFET、功分器、90度线性移相器、隔直电容和低通滤波器。在普通MOSFET的基础上，基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET额外增加了MEMS可动悬臂梁结构，并使用下拉电极来控制梁的up态和donw态：
本发明的基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET以多晶硅为衬底，衬底上设置有栅氧化层、源极、漏极、栅极、MEMS悬臂梁结构和下拉电极。源漏区是重掺杂的N+区，栅极的材料是多晶硅。正常工作时，源极接地，漏极接Vdd，多晶硅栅极接负电压，栅极和MEMS悬臂梁上电压调整沟道耗尽层的宽度，改变源漏极之间的饱和电流的大小，输出饱和电流的大小包含了输入信号的频率信息。
MEMS可动悬臂梁结构，位于Si MOSFET的栅极上方。下拉电极位于悬臂梁的下方，位于远离悬臂梁锚区的栅极一侧，其上覆盖氮化硅绝缘介质层。待测微波信号经过功分器分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号直接连接到MOS管的栅极，另一路信号经过一个90度线性移相器之后连接到MEMS悬臂梁的锚区。当在下拉电极和悬臂梁之间加载直流偏置而MEMS悬臂梁被下拉且与栅极接触时，两路微波信号同时加载到Si MOSFET的栅极上，Si MOSFET处在频率检测状态，源漏极之间的饱和电流输出包含了待测信号频率信息的电流分量。源漏极饱和电流通过隔直电容和低通滤波器，滤去高频信号，得到与频率相关的电流信号。
基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET频率检测器的工艺过程如下：
(1) 初始氧化(一次氧化)；
(2) 一次光刻和离子注入硼B+；
(3) 退火和杂质再分布；
(4) 去除表面氧化层；
(5) 底氧生长，形成栅氧化层；
(6) 沉积氮化硅并刻蚀场区；
(7) P 型场区阈值电压调整；
(8) N 型场区阈值电压调整；
(9) 场氧化；
(10) 去除氮化硅、栅氧化层、NMOS 阈值电压调整；
(11) 沉积多晶硅并光刻、刻蚀多晶硅图形，形成Si MOSFET的栅极、MEMS梁下拉电极、压焊块和连接它们的引线；
(12) 沉积氮化硅，形成下拉电极上的绝缘介质层；
(13) 离子注入形成PMOS、NMOS 的源漏区；
(14) 沉积二氧化硅并光刻、刻蚀二氧化硅图形，形成MEMS梁的牺牲层；
(15) 沉积多晶硅并光刻、刻蚀多晶硅图形，形成MEMS梁结构；
(16) 低温沉积掺磷二氧化硅；
(17) 光刻引线孔并回流；
(18) 沉积第一层金属并完成第一层金属引线的光刻和刻蚀；
(19) 制作双层引线间的介电材料；
(20) 光刻和刻蚀双层金属间的连接通孔；
(21) 第二层金属光刻与刻蚀；
(22) 使用各向异性腐蚀液HF腐蚀牺牲层，释放MEMS可动栅；
本文发明的基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET频率检测器的具体实施方案如下：
在硅衬底1上设有源极2、漏极3、栅氧化层4、栅极5、MEMS悬臂梁锚区6、下拉电极8和下拉电极压焊块10。源极2和漏极3用于输出饱和电流，由N型重掺杂区构成。当Si MOSFET正常工作情况下，源极2接地，漏极3接正电压Vdd，N型沟道中的电子将从源极2流向漏极3，电流方向由漏极3到源极2。栅极5由多晶硅构成，接正电压。
该频率检测器具有MEMS悬臂梁结构7，横跨在栅极5上，下拉电极位于悬臂梁的下方，位于远离悬臂梁锚区的栅极一侧，其上覆盖氮化硅绝缘介质层。待测微波信号经过功分器分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号直接连接到MOS管的栅极5，另一路信号经过一个90度线性移相器之后连接到MEMS悬臂梁的锚区6。当两个下拉电极上没有直流偏置时，MEMS悬臂梁7位于up态， Si MOSFET处于非频率检测状态。当在下拉电极加载直流偏置时，MEMS悬臂梁被下拉且与栅极接触时，两路微波信号同时加载到Si MOSFET的栅极上，Si MOSFET处在频率检测状态，源漏极之间的饱和电流输出包含了待测信号频率信息的电流分量，通过检测饱和电流的大小最终实现频率检测。
本发明提出的基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET频率检测器采用后CMOS微机械加工技术，即在标准CMOS工艺流程结束后，进行MEMS结构的制作。基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET频率检测器的工艺过程如下：
(1) 初始氧化(一次氧化)；
(2) 一次光刻和离子注入硼B+；
(3) 退火和杂质再分布；
(4) 去除表面氧化层；
(5) 底氧生长，形成栅氧化层；
(6) 沉积氮化硅并刻蚀场区；
(7) P 型场区阈值电压调整；
(8) N 型场区阈值电压调整；
(9) 场氧化；
(10) 去除氮化硅、栅氧化层、NMOS 阈值电压调整；
(11) 沉积多晶硅并光刻、刻蚀多晶硅图形，形成Si MOSFET的栅极、MEMS梁下拉电极、压焊块和连接它们的引线；
(12) 沉积氮化硅，形成下拉电极上的绝缘介质层；
(13) 离子注入形成PMOS、NMOS 的源漏区；
(14) 沉积二氧化硅并光刻、刻蚀二氧化硅图形，形成MEMS梁的牺牲层；
(15) 沉积多晶硅并光刻、刻蚀多晶硅图形，形成MEMS梁结构；
(16) 低温沉积掺磷二氧化硅；
(17) 光刻引线孔并回流；
(18) 沉积第一层金属并完成第一层金属引线的光刻和刻蚀；
(19) 制作双层引线间的介电材料；
(20) 光刻和刻蚀双层金属间的连接通孔；
(21) 第二层金属光刻与刻蚀；
(22) 使用各向异性腐蚀液HF腐蚀牺牲层，释放MEMS可动栅；
区分是否为该结构的标准如下：
为实现微波频率检测的功能，本发明的基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET频率检测器，将待测信号经功分器分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号连接到MOS管的栅极，另一路信号经过一个90度线性移相器之后连接到MEMS悬臂梁的锚区。MEMS悬臂梁位于栅极上方，在MEMS悬臂梁下方远离锚区的栅极一侧配置有下拉电极。当在下拉电极上加载一定的直流偏置时，MEMS悬臂梁被下拉且与栅极相连，两路信号同时加载到Si MOSFET的栅极上，从而起到控制源漏极间的饱和电流的大小的作用，滤波器虑去高频和低频电流分量，实现了微波信号频率的检测。
本发明的基于微机械硅基悬臂梁的频率检测器将待测微波信号通过功分器分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号直接连接到MOS管的栅极11，另一路信号经过一个90度线性移相器之后连接到MEMS悬臂梁的锚区9，当在下拉电极10和悬臂梁7之间加载直流偏置时，MEMS悬臂梁被下拉且与栅极5接触时，包含频率信息的另一路信号通过MEMS悬臂梁加到栅极11上，Si MOSFET起到乘法器的作用，源漏极之间的饱和电流输出包含了待测信号频率信息的电流分量。源漏极饱和电流通过隔直电容和低通滤波器，滤去高频电流分量，得到与频率相关的电流信号。该结构具有结构简单，易于测量的优点。
满足以上条件的结构即视为本发明的基于MEMS悬臂梁的Si MOSFET频率检测器。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (2)
1. 一种基于微机械硅悬臂梁的频率检测器，其特征在于：该频率检测器包括
功率分配器（P）、90度移相器(Y)、低通滤波器(L)和硅基金属-氧化物-半导体场效应管，
功率分配器，用于接收待测微波信号，并将该待测微波信号分成幅度、相位相同的两个支路信号，即第一路微波信号和第二路微波信号，并分别输出给硅基金属-氧化物-半导体场效应管和90度移相器；
90度移相器，用于接收所述第二路微波信号，将该第二路微波信号延迟，将该信号产生一个与频率成正比的相移后，输出第三路微波信号给硅基金属-氧化物-半导体场效应管结构；
低通滤波器，用于通过隔直电容与硅基金属-氧化物-半导体场效应管相连，滤去其输出的高频信号，得到与频率相关的电流信号；
硅基金属-氧化物-半导体场效应管，用于实现相位的检测；其中，
硅基金属-氧化物-半导体场效应管包括硅衬底（1），生长在硅衬底（1）表面上的用于输出饱和电流的源极（2）和漏极（3），源极（2）与漏极（3）相对设置，在源极（2）或漏极（3）的外侧设有悬臂梁锚区（6），跨接在源极（2）和漏极（3）之间的栅氧化层（4），设置在栅氧化层（4）表面的栅极（5），设置在在该栅极（5）上方且与栅极（5）相对的悬臂梁（7），悬臂梁（7）的一侧与悬臂梁锚区（6）相连，
在栅极（5）远离悬臂梁锚区（6）的一侧设有下拉电极（8），下拉电极（8）被绝缘介质层（12）覆盖；
源极（2）接地，漏极（3）接正电压，栅极（5）接正电压；
功率分配器输出的第一路微波信号输出给栅极（5）；
90度移相器的输出的第三路微波信号输出给硅基金属-氧化物-半导体场效应管的悬臂梁锚区（6）。
2. 一种用于权利要求1所述基于微机械硅悬臂梁的频率检测器的频率检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
源极（2）和漏极（3）用于输出饱和电流，由N型重掺杂区构成；当硅基金属-氧化物-半导体场效应管正常工作情况下，源极（2）接地，漏极（3）接正电压，N型沟道中的电子将从源极（2）流向漏极（3），电流方向由漏极（3）到源极（2），栅极（5）由多晶硅构成，接正电压；
待测微波信号经过功率分配器（P）分成幅度、相位完全相同的两个支路信号，一路信号直接连接到栅极（5），另一路信号经过一个90度线性移相器之后连接到悬臂梁的锚区（6）；当下拉电极（8）和上没有直流偏置时，悬臂梁（7）位于栅极（5）上方，硅基金属-氧化物-半导体场效应管处于非频率检测状态；
当在下拉电极（8）加载直流偏置时，悬臂梁（7）被下拉且与栅极（5）接触时，两路微波信号同时加载到栅极（5）上，硅基金属-氧化物-半导体场效应管处在频率检测状态，源极（2）和漏极（3）之间的饱和电流输出包含了待测信号频率信息的电流分量，通过检测饱和电流的大小最终实现频率检测。
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