CN103197137A - 一种低温双层隔离补偿式mems微波功率传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种低温双层隔离补偿式MEMS微波功率传感器，其通过在微波功率传感器一的外围，刻蚀内隔离环和外隔离环，将微波功率传感器包围起来形成隔离岛，进一步减少了现有MEMS微波功率传感器通过衬底散失的热量。同时又在内隔离环内侧设有第一加热电路和第二加热电路，利用热电阻加热，保持MEMS微波功率传感器工作在常温下，进一步减少了环境温度对现有MEMS微波功率传感器灵敏度的影响，从而提高了微波功率传感器一的测试精度。然后在运算电路中，利用微波功率传感器一和微波功率传感器二的输出电压得出由于热量耗散和环境温度影响而导致的现有微波功率传感器的误差，并将该误差加到有误差的微波功率传感器三上，以实现温度补偿。

Description

一种低温双层隔离补偿式MEMS微波功率传感器
技术领域
本发明涉及一种低温双层隔离补偿式MEMS微波功率传感器，属于微电子机械系统领域。
背景技术
在微波领域发展中，微波信号的功率是微波系统三大参数之一。微波功率检测在任何微波研究(如雷达系统、现代单兵通信系统、车载雷达等)中是必不可少的。最常见的微波功率检测器是基于热电转换原理的微波功率传感器，即基于热电堆的Seebeck效应，具有响应快、频带宽等特点。
如图1所示，现有的MEMS微波功率传感器由共面波导传输线1、氮化钽电阻3、热电堆4、砷化镓衬底5和压焊块6。共面波导传输线1接收来自微波功率源的功率，并传导到位于共面波导传输线1末端氮化钽电阻3。通过氮化钽电阻3将功率吸收并转化为热。热电堆4由于seeback效应，能够将热转为电压输出。
但缺点在于热量可以通过衬底和空气散失，其中衬底散失的热量最多。输出的直流电压与温度有较强的依赖关系，尤其在低温环境下严重影响检测的精确度，限制了适用范围。
发明内容
发明目的：本发明提出一种低温双层隔离补偿式MEMS微波功率传感器，减少了微波功率传感器通过衬底散失的热量，且降低环境温度的影响，提高了传感器对微波功率的测试精度。
技术方案：本发明采用的技术方案为一种低温双层隔离补偿式MEMS微波功率传感器，包括微波功率传感器一、微波功率传感器二、微波功率传感器三，在微波功率传感器一外围设有位于内侧的内隔离环和位于外侧的外隔离环，在所述内隔离环内侧还设有第一加热电路和第二加热电路；
还包括功率分配器、温度补偿模块以及运算电路；所述功率分配器将输入微波功率的三分之一分配给微波功率传感器三，输入微波功率的三分之二分配给温度补偿模块；温度补偿模块通过运算电路对微波功率传感器三的输出电压进行温度补偿。
作为本发明的进一步改进，所述温度补偿模块包括微波功率传感器二，和被隔离环包围的微波功率传感器一；微波功率传感器一和微波功率传感器二各输入三分之一的输入微波功率；微波功率传感器一、微波功率传感器二和微波功率传感器三均输出到运算电路。所述运算电路包括对微波功率传感器一和微波功率传感器二输出电压求差的减法器，将减法器输出电压与微波功率传感器三相加的加法器，对加法器输出信号乘以三的乘法器。
作为本发明的更进一步改进，所述第一加热电路包括第二十一热电阻至第二十四热电阻，第一加热电路与开关十九、外接电源构成一个完整回路；所述第二加热电路包括第二十五热电阻至第三十二热电阻，第二加热电路与开关二十、外接电源构成一个完整回路。所述内隔离环与外隔离环之间间隔60um距离。
一种制造本发明一种低温双层隔离补偿式MEMS微波功率传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)外延生成掺杂浓度1018cm-3，方块电阻100-130Ω/□的砷化镓衬底；
2)在砷化镓衬底上依次外延生长铝镓砷薄膜和N+砷化镓；
3)反刻N+砷化镓，形成掺杂浓度1017cm-3的热电堆半导体热偶臂；
4)光刻并去除热电堆金属臂处的光刻胶，形成热电堆金属臂图案；
5)溅射金锗镍/金，金锗镍/金的厚度为270nm；
6)剥离多余的金属，形成热电堆的金属热偶臂；
7)光刻并去除氮化钽电阻处的光刻胶；
8)淀积氮化钽，形成共面波导传输线末端的热电阻以及内隔离环内侧的热电阻，厚度为2um，电阻为25Ω/□；
9)剥离多余的氮化钽以形成氮化钽电阻；
10)光刻并去除共面波导传输线处的光刻胶；
11)蒸发第一层金，其厚度为0.3um；
12)溅射钛/金/钛，作为共面波导传输线的种子层，厚度为50/150/30nm；
13)光刻并去除共面波导传输线处的光刻胶；
14)去除顶层的钛层，然后电镀2um厚的金，形成共面波导传输线；
15)减薄砷化镓衬底至100μm；
16)背面光刻，并去除在砷化镓背面形成膜结构地方的光刻胶；
17)刻蚀减薄终端电阻和热电堆的热端下方的砷化镓衬底，背面刻蚀至铝镓砷薄膜；
18)沿着功率传感器的外围，正面通过等离子体干法刻蚀工艺刻蚀内隔离环和外隔离环。
作为上述制造本发明一种低温双层隔离式MEMS微波功率传感器的方法的改进，步骤18)中所述内隔离环和外隔离环的深度为90um，宽度为5um。
有益效果：本发明通过在微波功率传感器一的外围，刻蚀内隔离环和外隔离环，将微波功率传感器包围起来形成隔离岛。同时又在内隔离环内侧设有第一加热电路和第二加热电路，利用热电阻加热，保持MEMS微波功率传感器工作在常温下，进一步减少了环境温度对MEMS微波功率传感器的影响，从而提高了微波功率传感器一的测试精度。然后在运算电路中，利用微波功率传感器一和微波功率传感器二的输出电压得出由于热量散失而导致的现有微波功率传感器的误差，并将该误差加到有误差的微波功率传感器三上，以实现温度补偿。
附图说明
图1为现有MEMS微波功率传感器的结构示意图；
图2为现有MEMS微波功率传感器的A-A面截面图；
图3为本发明一种低温双层隔离补偿式MEMS微波功率传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图3所示，本发明一种低温双层隔离补偿式MEMS微波功率传感器在现有的微波功率传感器一A外围刻蚀两个方形的隔离环，位于内侧的是内隔离环8，位于外侧的是外隔离环7，内隔离环8和外隔离环7之间间隔60um。两个隔离环的深度为90um，宽度为5um。特别地，在内隔离环8内侧淀积了十二个热电阻，分别是第二十一热电阻21、第二十二热电阻22、第二十三热电阻23、第二十四热电阻24、第二十五热电阻25、第二十六热电阻26、第二十七热电阻27、第二十八热电阻28、第二十九热电阻29、第三十热电阻30、第三十一热电阻31、第三十二热电阻32。其中第二十一热电阻21至第二十四热电阻24，这四个热电阻组成第一加热电路。第一加热电路与开关十九19、外接电源33构成一个完整回路。第二十五热电阻25至第三十二热电阻32组成第二加热电路。第二加热电路与开关二十20、外接电源33也构成一个完整回路。
由于输出直流电压与衬底传热有较强的依赖关系，外隔离环7和内隔离环8使微波功率传感器一A形成隔离岛结构。两个隔离环内充满空气，空气是较好的绝热介质，其减少了微波功率传感器一A通过衬底散失的热量。同时为了进一步减少环境温度对灵敏度的影响，第一加热电路和第二加热电路能够给微波功率传感器一A加热。开关十九19跟开关二十20可以分别控制第一加热电路和第二加热电路的通断。为了使微波功率传感器一A工作在常温(27°C)的环境下，可根据具体情况，分步骤地启动第一加热电路和第二加热电路，逐次地增大加热功率。
由于微波功率传感器一A测量精度比较高，因此其输出电压可作为基准电压。然后由温度补偿模块计算出由热量耗散所引起的误差，并将该误差加到微波功率传感器三C的输出电压上。温度补偿模块包括微波功率传感器二B和微波功率传感器一A。运算电路包括减法器、加法器和乘法器。待测的微波功率首先进入功率分配器16，由功率分配器16分成三个功率相同的微波信号，并分别输入到微波功率传感器一A、微波功率传感器二B和微波功率传感器三C。由于空气和衬底的散热作用，使得微波功率传感器二B和微波功率传感器三C输出的电压会包含一定的误差。微波功率传感器二B和微波功率传感器三C这两个传感器的误差大小相等，正负相同。
微波功率传感器二B和微波功率传感器一A均输出电压到运算电路的减法器中，减法器对两者求差计算出由温度所引起的误差。减法器输出到加法器，加法器的另一个输入端连接微波功率传感器三C。加法器将减法器得到的误差再加到微波功率传感器三C的输出电压上，实现温度补偿。加法器输出端连接到乘法器。由于一个微波功率传感器所测量的功率仅为输入微波功率的三分之一，所以乘法器对输入的电压再乘以三，得到最终的输出电压。
一种制造本发明一种低温双层隔离式MEMS微波功率传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)外延生成掺杂浓度1018cm-3，方块电阻100-130Ω/□的砷化镓衬底；
2)在砷化镓衬底上依次外延生长铝镓砷薄膜和N+砷化镓；
3)反刻N+砷化镓，形成掺杂浓度1017cm-3的热电堆半导体热偶臂；
4)光刻并去除热电堆金属臂处的光刻胶，形成热电堆金属臂图案；
5)溅射金锗镍/金，金锗镍/金的厚度为270nm；
6)剥离多余的金属，形成热电堆的金属热偶臂；
7)光刻并去除氮化钽电阻处的光刻胶；
8)淀积氮化钽，形成共面波导传输线末端的热电阻以及内隔离环内侧的热电阻，厚度为2um，电阻为25Ω/□；
9)剥离多余的氮化钽以形成氮化钽电阻；
10)光刻并去除共面波导传输线处的光刻胶；
11)蒸发第一层金，其厚度为0.3um；
12)溅射钛/金/钛，作为共面波导传输线的种子层，厚度为50/150/30nm；
13)光刻并去除共面波导传输线处的光刻胶；
14)去除顶层的钛层，然后电镀2um厚的金，形成共面波导传输线；
15)减薄砷化镓衬底至100μm；
16)背面光刻，并去除在砷化镓背面形成膜结构地方的光刻胶；
17)刻蚀减薄终端电阻和热电堆的热端下方的砷化镓衬底，背面刻蚀至铝镓砷薄膜；
18)沿着功率传感器的外围，正面通过等离子体干法刻蚀工艺刻蚀深度为90um，宽度为5um的内隔离环和外隔离环。

Claims (4)

1.一种低温双层隔离补偿式MEMS微波功率传感器，包括微波功率传感器一(A)、微波功率传感器二(B)、微波功率传感器三(C)，其特征在于，在微波功率传感器一(A)外围设有位于内侧的内隔离环(8)和位于外侧的外隔离环(7)，在所述内隔离环(8)内侧还设有第一加热电路和第二加热电路；
还包括功率分配器(16)、温度补偿模块以及运算电路；所述功率分配器(16)将输入微波功率的三分之一分配给微波功率传感器三(C)，输入微波功率的三分之二分配给温度补偿模块；温度补偿模块通过运算电路对微波功率传感器三(C)的输出电压进行温度补偿。
2.根据权利要求1所述的低温双层隔离补偿式MEMS微波功率传感器，其特征在于，所述温度补偿模块包括微波功率传感器二(B)，和被隔离环(1)包围的微波功率传感器一(A)；微波功率传感器一(A)和微波功率传感器二(B)各输入三分之一的输入微波功率；微波功率传感器一(A)、微波功率传感器二(B)和微波功率传感器三(C)均输出到运算电路；
所述运算电路包括对微波功率传感器一(A)和微波功率传感器二(B)输出电压求差的减法器，将减法器输出电压与微波功率传感器三(C)相加的加法器，对加法器输出信号乘以三的乘法器。
3.根据权利要求2所述的低温双层隔离补偿式MEMS微波功率传感器，其特征在于，所述第一加热电路包括第二十一热电阻(21)至第二十四热电阻(24)，第一加热电路与开关十九(19)、外接电源(33)构成一个完整回路；所述第二加热电路包括第二十五热电阻(25)至第三十二热电阻(32)，第二加热电路与开关二十(20)、外接电源(33)构成一个完整回路。
4.根据权利要求3所述的低温双层隔离补偿式MEMS微波功率传感器，其特征在于，所述内隔离环(8)与外隔离环(7)之间间隔60um距离。
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