CN103116071B - 微电子机械微波频率和功率检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

微电子机械微波频率和功率检测系统及其检测方法，检测系统包括MEMS可重构天线、MEMS可调滤波器、控制电路和微波检测器，微波检测器制备在GaAs衬底上，包括共面波导CPW传输线、四个结构完全相同的MEMS悬臂梁结构、功合器以及四个结构完全相同的MEMS间接式微波功率传感器。本发明的基于悬臂梁和间接式功率传感器的微波频率和功率检测系统不但具有结构新颖，尺寸较小的优点，而且可以实现微波信号频率和功率检测的集成，与GaAs单片微波集成电路兼容。

Description

微电子机械微波频率和功率检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统MEMS技术领域，为一种微电子机械微波频率和功率检测系统及其检测方法。

背景技术

在微波技术研究中，微波功率和频率是表征微波信号特征的两个重要参数。对这两个参数的检测已成为电磁测量的重要组成部分。微波信号频率和功率的检测器在军事、个人通信和科学研究等方面都有非常广泛的应用。现有的微波频率检测技术主要基于外差法、计数法、谐振法和比相法，微波功率检测技术主要基于二极管、热电偶和热敏电阻的方法。尽管这些检测技术已经形成，但是其缺点在于无法系统集成频率检测与功率检测。随着科学技术的不断发展，现代个人通信系统和雷达系统要求越来越高：微型化，结构简单化以及在线式的微波频率检测器已成为一种趋势。近年来，随着MEMS技术的快速发展以及对MEMS悬臂梁结构和MEMS间接式微波功率传感器研究的不断深入，使基于悬臂梁和间接式功率传感器的微波频率和功率检测的系统集成成为可能。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有的微波信号检测无法系统集成频率检测与功率检测，用户需要简单的结构，较小的体积以及可在线检测的微波频率、功率检测器。

本发明的技术方案为：微电子机械微波频率和功率检测系统，所述微波检测系统包括MEMS可重构天线、MEMS可调滤波器、控制电路和微波检测器，MEMS可重构天线接收微波信号，经MEMS可调滤波器后，得到待测微波信号输入微波检测器，控制电路分别连接MEMS可重构天线和MEMS可调滤波器，

所述微波检测器在GaAs衬底上设有待测信号传输线、四个结构完全相同的MEMS悬臂梁结构、一个功合器以及四个结构完全相同的MEMS间接式微波功率传感器，待测信号传输线为CPW传输线，所述CPW传输线由信号线和地线构成，待测微波信号通过待测信号传输线输入一个MEMS间接式微波功率传感器，四个MEMS悬臂梁结构分为两对，对称悬于待测信号传输线的信号线上方，其中位于待测信号传输线的信号线同一侧两个MEMS悬臂梁结构分别连接一个MEMS间接式微波功率传感器，另一侧对称的两个MEMS悬臂梁结构分别连接至功合器，功合器的输出端连接一个MEMS间接式微波功率传感器。

作为优选，微波检测器沿待测信号传输线方向，两对MEMS悬臂梁结构之间的距离L为中心频率点所对应波长的1/4，所述中心频率点指所述微波频率检测器的频率检测范围的中心频率点。

微波检测器的MEMS悬臂梁结构与功合器以及MEMS间接式微波功率传感器之间通过CPW传输线连接，功合器与MEMS间接式微波功率传感器之间通过CPW传输线连接；悬臂梁结构包括悬臂梁和锚区，悬臂梁与下方的待测信号传输线的信号线之间设有绝缘介质层。

微波检测器的功合器包括不对称共面带线ACPS信号线、地线和隔离电阻，功合器的输入端和输出端之间为不对称共面带线ACPS信号线，隔离电阻设置在两个输入端之间。

一种上述微电子机械微波频率和功率检测系统的检测方法，由MEMS可重构天线接收微波信号，经过MEMS可调滤波器之后得到待测微波信号，输入微波检测器中；在微波检测器中，待测微波信号经过待测信号传输线，传输到位于待测信号传输线末端的MEMS间接式微波功率传感器，检测出待测微波信号的功率P；待测微波信号从待测信号传输线中经过时，位于待测信号传输线的信号线同一侧的两个MEMS悬臂梁结构在线耦合出两支幅度相等、存在一定相位差的微波信号，分别输入一个MEMS间接式微波功率传感器，测量由悬臂梁结构各自耦合出的微波信号功率P₁、P₂；位于所述信号线另一侧的两个MEMS悬臂梁结构在线耦合出两支同样的微波信号，输入功合器进行矢量合成，再输入一个MEMS间接式微波功率传感器，测量由合成信号的功率P₃；所述两支微波信号存在一个与待测微波信号频率成正比的相位差功合器的合成信号的功率P₃与该相位差存在一个余弦函数的关系，

四个MEMS间接式微波功率传感器基于Seebeck原理检测待测微波信号的功率P、MEMS悬臂梁耦合出的微波信号的功率P₁、P₂以及功合器合成信号的功率P₃的大小，并以直流电压形式V、V₁、V₂和V₃输出测量结果，基于式（1），待测微波信号的频率为：

$f=\frac{c}{2\mathrm{\πL}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{er}}}}\arccos \frac{V_3-\frac{1}{2}{V}_1-\frac{1}{2}{V}_2}{\sqrt{V_1{V}_2}}---\left(2\right)$

其中，c为光速，ε_er为CPW传输线的有效介电常数。

进一步的，通过控制电路改变MEMS可重构天线和MEMS可调滤波器中驱动电极上的电压，从而调整MEMS可重构天线和MEMS可调滤波器的中心频率，以实现某一特定频率情况下的微波信号频率和功率的检测。

本发明提供一种基于悬臂梁和间接式功率传感器的微波频率和功率检测系统，由MEMS可重构天线接收的微波信号，经过MEMS可调滤波器之后，再经过一段CPW传输线，传输到位于CPW传输线末端的MEMS间接式微波功率传感器，可以检测出微波信号的功率。位于CPW传输线上方且相距一定距离的四个结构完全相同的MEMS悬臂梁在线耦合出两对幅度相等、存在一个相位差的微波信号，取其中每对中的一支信号经过功合器进行矢量合成，由MEMS间接式微波功率传感器检测合成后微波信号和另外两支微波信号的功率大小。根据输出的直流电压的大小，推断出待测信号的频率。通过控制电路可改变驱动电极上的电压，从而调整MEMS可重构天线和MEMS可调滤波器的中心频率，以实现某一特定频率情况下的微波信号频率和功率的检测。

本发明的基于悬臂梁和间接式功率传感器的微波频率和功率检测系统不但具有结构新颖，易于测量的优点，而且能够实现对微波信号频率和功率检测的集成，并且与GaAs单片微波集成电路兼容。

附图说明

图1是本发明基于悬臂梁和间接式功率传感器的微波频率和功率检测系统的结构示意图。

图2是图1中的A-A'剖面图。

图3是图1中的B-B'剖面图。

具体实施方式

如图1，本发明包括MEMS可重构天线、MEMS可调滤波器、控制电路和微波检测器，MEMS可重构天线接收微波信号，经MEMS可调滤波器后，得到待测微波信号输入微波检测器，控制电路分别连接MEMS可重构天线和MEMS可调滤波器。本发明制作在GaAs衬底1上，微波检测器包括共面波导CPW传输线、四个结构完全相同的MEMS悬臂梁结构、功合器以及四个结构完全相同的MEMS间接式微波功率传感器。CPW传输线作为本发明频率检测器的信号传输线，用于待测微波信号的传输，以及MEMS悬臂梁结构、功合器和MEMS间接式微波功率传感器之间信号的传输，CPW传输线由信号线和地线构成。

微波检测器中，四个结构完全相同MEMS悬臂梁位于待测信号传输线的信号线2上的绝缘介质层6的上方。当待测微波信号经过待测信号传输线时，沿着待测信号传输线相隔一定距离的两个悬臂梁结构耦合出两支幅度相同但存在一定相位差的微波信号，再经过功合器矢量合成，合成信号的功率与待测微波信号相位差存在余弦函数关系。为了测量出由悬臂梁结构耦合出的微波信号功率的大小，在待测信号传输线的信号线的另一侧对称地设计了两个结构完全相同悬臂梁结构，其后分别接有MEMS间接式微波功率传感器，测量悬臂梁结构耦合出的信号功率。利用间接式微波功率传感器检测合成功率的大小，最终实现待测微波信号频率和功率的同时检测。

本发明检测系统的具体实施方案如下：

如图1，本发明设置在GaAs衬底1上，包括MEMS可重构天线、MEMS可调滤波器、控制电路和微波检测器，微波检测器包括CPW信号线2，地线3，MEMS悬臂梁4，锚区5，绝缘介质层6，功分器隔离电阻7，ACPS信号线8，终端电阻9，金属热偶臂10，半导体热偶臂11，金属连接线12和直流输出块13。在砷化镓衬底1上设有设有MEMS可重构天线、MEMS可调滤波器、控制电路、共面波导CPW传输线、四个完全相同的MEMS悬臂梁、功合器以及四个MEMS间接式微波功率传感器。

MEMS可重构天线和MEMS可调滤波器均为现有技术，不再详述。

微波检测器中，CPW传输线包括信号线2和地线3。待测信号传输线采用CPW传输线，由MEMS可重构天线接收的待测微波信号经过MEMS可调滤波器之后，从待测信号传输线的输入端进入CPW传输线，再由输出端输出至一个MEMS间接式微波功率传感器，检测得到待测微波信号的功率。

MEMS悬臂梁结构包括悬臂梁4和锚区5。沿着待测信号传输线，两对相距一定距离L的悬臂梁4悬于待测信号传输线的信号线2上绝缘介质层6的上方，作为优选，距离L为中心频率点所对应波长的1/4，所述中心频率点指所述微波频率检测器的频率检测范围的中心频率点。当待测信号从待测信号传输线的信号线经过时，四个结构完全相同MEMS悬臂梁4在线耦合出两对幅度相等、存在一定相位差的微波信号，取每对微波信号中的一支输入功合器矢量合成。为了测量出由悬臂梁4耦合出的微波信号功率，每对微波信号中的另一支分别连接一个MEMS间接式微波功率传感器。

功合器包括不对称共面带线ACPS信号线8、地线3和隔离电阻7。功合器的作用是将MEMS悬臂梁结构耦合出的两支微波信号矢量合成。待测微波信号通过待测信号传输线的信号线时，由于信号线上的同一侧的两个悬臂梁有一定的距离L，耦合出的两支微波信号存在一个与待测微波信号频率成正比的相位差，所述相位差与是L对应的，L固定时相位差是一个定值，功合器输出的合成信号的功率P₃与该相位差存在一个余弦函数的关系：

其中，P₁、P₂分别为信号线上的位于同一侧的MEMS悬臂梁耦合出的微波信号的功率。因此MEMS间接式微波功率传感器得到的功率与待测微波信号是对应的。

MEMS间接式微波功率传感器包括终端电阻9、金属热偶臂10、半导体热偶臂11、金属连接线12和直流输出块13。四个MEMS间接式微波功率传感器基于Seebeck原理检测待测微波信号的功率P、MEMS悬臂梁耦合出的微波信号的功率P₁、P₂以及功合器合成信号的功率P₃的大小，并以直流电压形式V、V₁、V₂和V₃输出测量结果，基于式（1），待测微波信号的频率为：

$f=\frac{c}{2\mathrm{\πL}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{er}}}}\arccos \frac{V_3-\frac{1}{2}{V}_1-\frac{1}{2}{V}_2}{\sqrt{V_1{V}_2}}---\left(2\right)$

其中，c为光速，ε_er为CPW传输线的有效介电常数。

进一步的，通过控制电路改变MEMS可重构天线和MEMS可调滤波器中驱动电极上的电压，从而调整MEMS可重构天线和MEMS可调滤波器的中心频率，以实现某一特定频率情况下的微波信号频率和功率的检测。

本发明基于悬臂梁和间接式功率传感器的在线式微波频率检测器的制备方法为：

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10¹⁸cm^-3，其方块电阻值为100～130Ω/□；

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N^＋砷化镓，形成其掺杂浓度为10¹⁷cm^-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，其厚度共为

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，其厚度为1μm；

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，其厚度为0.3μm；

12）剥离，形成CPW信号线和地线，MEMS悬臂梁的锚区；

13）反刻氮化钽，形成终端电阻和隔离电阻，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（PECVD）生长厚的氮化硅介质层；

15）光刻并刻蚀氮化硅介质层：保留在MEMS悬臂梁下方CPW信号线上的氮化硅；

16）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了MEMS悬臂梁与其下方在主线CPW上氮化硅介质层之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁下方的牺牲层；

17）蒸发钛/金/钛，其厚度为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，其厚度为2μm；

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信号线、地线、MEMS悬臂梁、直流输出块和金属连接线；

22）将该砷化镓衬底背面减薄至100μm；

23）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

上述步骤采用MEMS技术中的公知工艺，不再详述。

区分是否为本发明结构的标准如下：

本发明的微电子机械在线式微波频率检测器检测系统包括MEMS可重构天线、MEMS可调滤波器、控制电路和微波检测器，微波检测器包括四个完全相同的MEMS悬臂梁结构和四个完全相同的MEMS间接式微波功率传感器。由MEMS可重构天线接收的微波信号，经过MEMS可调滤波器之后，再经过一段CPW传输线，传输到位于CPW传输线末端的MEMS间接式微波功率传感器，可以检测出微波信号的功率。当待测微波信号经过CPW传输线时，位于CPW传输线上方且相距一定距离的四个结构完全相同的MEMS悬臂梁在线耦合出来两对幅度相等、存在一个相位差的微波信号，取其中每对中的一支信号经过功合器进行矢量合成，由MEMS间接式微波功率传感器检测合成后微波信号的功率，另外两支信号的功率同时分别由MEMS间接式微波功率传感器检测。通过检测输出的直流电压的大小，从而推断出待测信号的频率，实现待测微波信号频率和功率的检测。通过控制电路可改变驱动电极上的电压，从而调整MEMS可重构天线和MEMS可调滤波器的中心频率，以实现某一特定频率情况下的微波信号频率和功率的检测。

满足以上条件的结构即视为本发明的微电子机械微波频率和功率检测系统及其检测方法。

Claims (7)

1.微电子机械微波频率和功率检测系统，其特征是微波检测系统包括MEMS可重构天线、MEMS可调滤波器、控制电路和微波检测器，MEMS可重构天线接收微波信号，经MEMS可调滤波器后，得到待测微波信号输入微波检测器，控制电路分别连接MEMS可重构天线和MEMS可调滤波器，

所述微波检测器在GaAs衬底上设有待测信号传输线、四个结构完全相同的MEMS悬臂梁结构、一个功合器以及四个结构完全相同的MEMS间接式微波功率传感器，待测信号传输线为CPW传输线，所述CPW传输线由信号线和地线构成，待测微波信号通过待测信号传输线输入一个MEMS间接式微波功率传感器，四个MEMS悬臂梁结构分为两对，对称悬于待测信号传输线的信号线上方，其中位于待测信号传输线的信号线同一侧两个MEMS悬臂梁结构分别连接一个MEMS间接式微波功率传感器，另一侧对称的两个MEMS悬臂梁结构分别连接至功合器，功合器的输出端连接一个MEMS间接式微波功率传感器。

2.根据权利要求1所述的微电子机械微波频率和功率检测系统，其特征是微波检测器沿待测信号传输线方向，两对MEMS悬臂梁结构之间的距离L为中心频率点所对应波长的1/4，所述中心频率点指微波频率检测器的频率检测范围的中心频率点。

3.根据权利要求1或2所述的微电子机械微波频率和功率检测系统，其特征是微波检测器的MEMS悬臂梁结构与功合器以及MEMS间接式微波功率传感器之间通过CPW传输线连接，功合器与MEMS间接式微波功率传感器之间通过CPW传输线连接；悬臂梁结构包括悬臂梁和锚区，悬臂梁与下方的待测信号传输线的信号线之间设有绝缘介质层。

4.根据权利要求1或2所述的微电子机械微波频率和功率检测系统，其特征是微波检测器的功合器包括不对称共面带线ACPS信号线、地线和隔离电阻，功合器的输入端和输出端之间为不对称共面带线ACPS信号线，隔离电阻设置在两个输入端之间。

5.根据权利要求3所述的微电子机械微波频率和功率检测系统，其特征是微波检测器的功合器包括不对称共面带线ACPS信号线、地线和隔离电阻，功合器的输入端和输出端之间为不对称共面带线ACPS信号线，隔离电阻设置在两个输入端之间。

6.一种权利要求1－5任一项所述的微电子机械微波频率和功率检测系统的检测方法，其特征是由MEMS可重构天线接收微波信号，经过MEMS可调滤波器之后得到待测微波信号，输入微波检测器中；在微波检测器中，待测微波信号经过待测信号传输线，传输到位于待测信号传输线末端的MEMS间接式微波功率传感器，检测出待测微波信号的功率P；待测微波信号从待测信号传输线中经过时，位于待测信号传输线的信号线同一侧的两个MEMS悬臂梁结构在线耦合出两支幅度相等、存在一定相位差的微波信号，分别输入一个MEMS间接式微波功率传感器，测量由悬臂梁结构各自耦合出的微波信号功率P₁、P₂；位于所述信号线另一侧的两个MEMS悬臂梁结构在线耦合出两支同样的微波信号，输入功合器进行矢量合成，再输入一个MEMS间接式微波功率传感器，测量合成信号的功率P₃；所述两支微波信号存在一个与待测微波信号频率成正比的相位差功合器的合成信号的功率P₃与该相位差存在一个余弦函数的关系，

四个MEMS间接式微波功率传感器基于Seebeck原理检测待测微波信号的功率P、MEMS悬臂梁耦合出的微波信号的功率P₁、P₂以及功合器合成信号的功率P₃的大小，并以直流电压形式V、V₁、V₂和V₃输出测量结果，基于式(1)，待测微波信号的频率为：

$f=\frac{c}{2\mathrm{\πL}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{er}}}}\arccos \frac{V_3-\frac{1}{2}{V}_1-\frac{1}{2}{V}_2}{\sqrt{V_1{V}_2}}---\left(2\right)$

其中，c为光速，ε_er为CPW传输线的有效介电常数，L为信号线上同一侧的两个悬臂梁之间的距离。

7.根据权利要求6所述的微电子机械微波频率和功率检测系统的检测方法，其特征是通过控制电路改变MEMS可重构天线和MEMS可调滤波器中驱动电极上的电压，从而调整MEMS可重构天线和MEMS可调滤波器的中心频率，以实现某一特定频率情况下的微波信号频率和功率的检测。