CN102735933A - 基于微机械硅基固支梁的相位检测器及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微机械硅基固支梁的相位检测器及检测方法，该相位检测器包括硅衬底（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，第一固支梁锚区（61），第二固支梁锚区（62），栅极（5），设置在在该栅极（5）上方且与栅极（5）相对的固支梁（7）。检测方法包括如下步骤：当在第一下拉电极（81）和第二下拉电极（82）分上加载直流偏置时，固支梁（7）被下拉且与栅极（5）接触，两个频率相同而存在一定相位差的微波信号同时加载到栅极（5）上；漏极（3）饱和电流经处理滤去高频信号，得到相位差信息的电流信号。本发明结构简单，易于测量。

Description

基于微机械硅基固支梁的相位检测器及检测方法
技术领域
本发明提出了基于微机械硅基固支梁的相位检测器，属于微电子机械系统（MEMS）的技术领域。
背景技术
微波信号相位检测系统在相位调制器、相移键控（PSK）、微波定位、天线相位方向图的测试和近场诊断等方面都有极其广泛的应用。微波信号相位检测系统的设计均是针对检测同频率信号之间的相位差，现有的相位检测的方法有以下几种：利用二极管检波，利用乘法器结构和利用矢量运算法则实现相位检测，以上方法的缺点是都需要相对复杂的结构。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微波相位检测器具有简单的结构，小的体积以及小的功耗。MEMS系统具有体积小、功耗低、成本低等优点，本发明的目的正是要提出一种基于MEMS技术的微波信号相位检测器的实现方法。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种一种基于微机械硅基固支梁的相位检测器及检测方法，待测信号加载在Si MOSFET（硅基金属-氧化物-半导体场效应管）的栅上，参考信号加载到MEMS固支梁的锚区上，当下拉电极加直流偏置而使MEMS固支梁处于向下拉状态时，待测信号和参考信号同时加载到栅极上，通过检测源漏极饱和电流，实现了微波信号相位的在线检测。
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基固支梁的相位检测器，该相位检测器包括
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，在源极和漏极的外侧分别设有第一固支梁锚区，第二固支梁锚区，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固支梁，固支梁的两侧分别与第一固支梁锚区，第二固支梁锚区相连； 
在栅极与第一固定梁锚区之间设有第一下拉电极，在栅极与第二固定梁锚区之间设有第二下拉电极，第一下拉电极和第二下拉电极分别被绝缘介质层覆盖；
源极接地，漏极接正电压；
参考信号加载在的栅极上，待测信号加载在固支梁上。
本发明还提供了一种用于基于微机械硅基固支梁的相位检测器的相位检测方法，该方法包括如下步骤：
源极与漏极是重掺杂的N+区，且分别用于输出饱和电流，栅极的材料是多晶硅；正常工作时，源极接地，漏极接正电压Vdd，多晶硅栅极接负电压，栅极和固支梁上电压调整沟道耗尽层的宽度，改变源极与漏极之间的饱和电流的大小，源极与漏极输出饱和电流的大小包含了两个信号的相位差信息；
参考信号加载在第一固支梁锚区和第二固支梁锚区，待测信号加载在栅极；当第一下拉电极和第二下拉电极分上没有直流偏置时，相位检测器处在非相位检测状态；
当在第一下拉电极第二下拉电极分上加载直流偏置时，固支梁被下拉且与栅极接触时，两个频率相同而存在一定相位差的微波信号同时加载到栅极上，相位检测器处在在线相位检测状态，源极与漏极之间的饱和电流输出包含了相位信息的电流分量；漏极饱和电流通过隔直电容和低通滤波器，滤去高频信号，得到相位差信息的电流信号。
有益效果：与现有的相位检测器相比，这种新型的基于微机械硅基固支梁的相位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，输出电流是两个栅电压的乘积，起到了相位检测器的作用；
2、MEMS固支梁可动结构和下拉电极的存在，使得相位检测器可以处在在线检测和非检测状态下；
3、该相位检测器的制作基于后互补金属氧化物半导体CMOS（互补金属氧化物半导体）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固支梁的Si MOSFET相位检测器的俯视图；
图2是基于MEMS固支梁的Si MOSFET相位检测器的A-A’剖面图；
图3是基于MEMS固支梁的Si MOSFET相位检测器的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固支梁锚区6，MEMS固支梁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基固支梁的相位检测器，该相位检测器包括
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和漏极3的外侧分别设有第一固支梁锚区61，第二固支梁锚区62，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相对的固支梁7，固支梁7的两侧分别与第一固支梁锚区61，第二固支梁锚区62相连； 
在栅极5与第一固定梁锚区61之间设有第一下拉电极81，在栅极5与第二固定梁锚区62之间设有第二下拉电极82，第一下拉电极81和第二下拉电极82分别被绝缘介质层12覆盖；
源极2接地，漏极3接正电压；
参考信号加载在的栅极5上，待测信号加载在固支梁7上。
本发明还提供了一种用于基于微机械硅基固支梁的相位检测器的相位检测方法，该方法包括如下步骤：
源极2与漏极3是重掺杂的N+区，且分别用于输出饱和电流，栅极5的材料是多晶硅；正常工作时，源极2接地，漏极接正电压Vdd，多晶硅栅极5接负电压，栅极5和固支梁7上电压调整沟道耗尽层的宽度，改变源极2与漏极3之间的饱和电流的大小，源极2与漏极3输出饱和电流的大小包含了两个信号的相位差信息；
参考信号加载在第一固支梁锚区61和第二固支梁锚区62，待测信号加载在栅极5；当第一下拉电极81和第二下拉电极82分上没有直流偏置时，相位检测器处在非相位检测状态；
当在第一下拉电极81和第二下拉电极82分上加载直流偏置时，固支梁7被下拉且与栅极5接触时，两个频率相同而存在一定相位差的微波信号同时加载到栅极5上，相位检测器处在在线相位检测状态，源极2与漏极3之间的饱和电流输出包含了相位信息的电流分量；漏极3饱和电流通过隔直电容和低通滤波器，滤去高频信号，得到相位差信息的电流信号。
本发明的相位检测器是由基于MEMS固支梁结构的Si MOSFET、隔直电容和低通滤波器组成的。基于MEMS固支梁的Si MOSFET是在普通MOSFET的基础上，额外增加了可动MEMS固支梁结构和下拉电极，并使用下拉电极来控制梁的up态和donw态：
本发明的基于MEMS固支梁的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固支梁结构和下拉电极。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固支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两个信号的相位差信息。
MEMS可动固支梁结构，位于Si MOSFET的栅极上方。下拉电极位于固支梁的下方，分布在栅极与固支梁锚区之间，其上覆盖氮化硅绝缘介质层。参考信号加载在固支梁的锚区，待测信号加载在MOSFET的栅极。当下拉电极上没有直流偏置时，Si MOSFET处在非相位检测状态。当在下拉电极上加载直流偏置时，MEMS固支梁被下拉且与栅极接触时，两个频率相同而存在一定相位差的微波信号同时加载到Si MOSFET的栅极上，Si MOSFET处在在线相位检测状态，源漏极之间的饱和电流输出包含了相位信息的电流分量。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，得到相位差信息的电流信号。
基于MEMS固支梁的Si MOSFET相位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固支梁的Si MOSFET相位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固支梁锚区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。
该相位检测器具有MEMS固支梁结构7，横跨在栅极5上，两个下拉电极8位于固支梁7的下面，分布在栅极5的两侧，绝缘的介质氮化硅12覆盖在下拉电极8上。参考信号通过压焊块11加载在Si MOSFET的栅极5上，待测信号通过压焊块9加载在MEMS固支梁上。当两个下拉电极上没有直流偏置时，MEMS固支梁7位于up态，Si MOSFET源漏极之间的饱和电流大小的仅与参考信号有关，Si MOSFET处于非相位检测状态。当在两个下拉电极8上加载直流偏置将MEMS固支梁7下拉与栅极5接触时，待测信号和参考信号同时加载到Si MOSFET的栅极5，两者之和同时决定了源漏极的饱和电流输出，Si MOSFET处于相位检测状态，源漏极饱和电流通过滤波器，滤去高频和低频信号，得到相位差信息的电流信号。
本发明提出的基于MEMS固支梁的Si MOSFET相位检测器采用后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固支梁的Si MOSFET相位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：
本发明的基于MEMS固支梁的Si MOSFET相位检测器，为实现微波相位检测的功能， MEMS固支梁位于栅极上方，在MEMS固支梁正下方，锚区与栅极之间有两个下拉电极，当在下拉电极上加载一定的直流偏置时，MEMS固支梁被下拉且与栅极相连，通过压焊块加到MEMS固支梁上的待测信号和参考信号同时加载到Si MOSFET的栅极上，从而控制源漏极间的饱和电流的大小，实现两个同频微波信号相位的检测。
满足以上条件的结构即视为本发明的基于MEMS固支梁的Si MOSFET相位检测器。
本发明的基于微机械硅基固支梁的相位检测器不但具有结构简单，易于测量的优点，而且具有低直流功耗，易于集成及与单片微波集成电路兼容的优点。该结构以Si为衬底，在其上设有栅氧化层、源极、漏极、栅极下拉电极、连接线和压焊块。参考信号通过压焊块11加载在Si MOSFET的栅极5上。该结构具有MEMS固支梁结构7，它横跨在Si MOSFET的栅极5上，锚区6在栅极的两侧。两个下拉电极在固支梁的下方，位于锚区和栅极之间，其上覆盖着一层氮化硅介质层12，且通过引线与压焊块10相连。待测信号通过压焊块9加载在MEMS固支梁7上。当在下拉电极和固支梁之间加载直流偏置时，MEMS固支梁被下拉且与栅极接触时。两个频率相同而存在一定相位差的微波信号，同时加载到Si MOSFET的栅极上，Si MOSFET处在在线相位检测状态，源漏极之间的饱和电流输出包含了相位信息的电流分量。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，得到相位差信息的电流信号。
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. 一种基于微机械硅基固支梁的相位检测器，其特征在于：该相位检测器包括
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）和漏极（3）的外侧分别设有第一固支梁锚区（61），第二固支梁锚区（62），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）相对的固支梁（7），固支梁（7）的两侧分别与第一固支梁锚区（61），第二固支梁锚区（62）相连； 
在栅极（5）与第一固定梁锚区（61）之间设有第一下拉电极（81），在栅极（5）与第二固定梁锚区（62）之间设有第二下拉电极（82），第一下拉电极（81）和第二下拉电极（82）分别被绝缘介质层（12）覆盖；
源极（2）接地，漏极（3）接正电压；
参考信号加载在的栅极（5）上，待测信号加载在固支梁（7）上。
2. 一种用于权利要求1所述的基于微机械硅基固支梁的相位检测器的相位检测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
源极（2）与漏极（3）是重掺杂的N+区，且分别用于输出饱和电流，栅极（5）的材料是多晶硅；正常工作时，源极（2）接地，漏极接正电压Vdd，多晶硅栅极（5）接负电压，栅极（5）和固支梁（7）上电压调整沟道耗尽层的宽度，改变源极（2）与漏极（3）之间的饱和电流的大小，源极（2）与漏极（3）输出饱和电流的大小包含了两个信号的相位差信息；
参考信号加载在第一固支梁锚区（61）和第二固支梁锚区（62），待测信号加载在栅极（5）；当第一下拉电极（81）和第二下拉电极（82）分上没有直流偏置时，相位检测器处在非相位检测状态；
当在第一下拉电极（81）和第二下拉电极（82）分上加载直流偏置时，固支梁（7）被下拉且与栅极（5）接触时，两个频率相同而存在一定相位差的微波信号同时加载到栅极（5）上，相位检测器处在在线相位检测状态，源极（2）与漏极（3）之间的饱和电流输出包含了相位信息的电流分量；漏极（3）饱和电流通过隔直电容和低通滤波器，滤去高频信号，得到相位差信息的电流信号。
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