CN103281074A - 一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环及制法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环及制法，该锁相环包括以砷化镓（GaAs）为材料的衬底、设置在衬底上的功合器和MEMS间接式微波功率传感器、以及外接的压控振荡器，压控振荡器的输出信号反馈到功合器的一个输入端，参考信号加在功合器的另一个输入端，经间接热电式功率传感器检测，得到与参考信号和压控振荡器输出信号的相位差成比例的电压，该电压加到压控振荡器的输入端，使压控振荡器的本振信号频率随着所输入的电压的变化而变化；在此基础上本发明还公开了一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环的制备方法。该发明结构简单、体积更小、精度更高，具有很好的实用性。

Description

一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环及制法

技术领域

本发明涉及微电子机械系统（MEMS）的技术领域，尤其是涉及一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环。

背景技术

锁相环（PLL:Phase-locked loops）是一种利用反馈控制原理实现的频率及相位的同步技术，是将参考信号与输出信号之间的相位进行比较，产生相位误差电压来调节输出电压的相位，以达到与参考信号同频的目的。锁相环在众多领域有应用，如无线通信、雷达、数字电视、广播等。当前广泛采用的锁相环技术有模拟锁相环、模数混合锁相环以及数字锁相环，它们的优点是精度很高，但是有着电路结构复杂、尺寸较大的缺点。随着微电子技术的突飞猛进，新材料、新技术、新工艺不断涌现，促使对无线通信系统和雷达系统等电子设备的要求不断提高：简单的结构，较小的体积以及精度较高的锁相环电路成为一种趋势。当前，MEMS技术得到了快速发展，间接热电式功率传感器的研究日趋成熟，使基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环成为可能，因此有必要设计一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环。

发明内容

为解决目前锁相环存在的不足，本发明提出一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环，该锁相环结构简单、体积更小、精度更高。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环，包括衬底、设置在衬底上的功合器和MEMS间接式微波功率传感器、以及外接的压控振荡器，在衬底上定义一条对称轴线；功合器形成沿对称轴线对称的结构，包括地线、共面波导传输线、两段不对称共面带线、隔离电阻、两组固支梁和锚区；MEMS间接式微波功率传感器包括两组终端电阻、金属热偶臂、半导体热偶臂、金属连接线和两个直流输出块。

所述地线形成沿对称轴线对称的结构，包括对称位于对称轴线两侧且不相接触的两段侧边地线、对称位于对称轴线上的一段公共地线。

所述共面波导传输线形成沿对称轴线对称的结构，包括位于对称轴线两侧且不相连接的两段输入共面波导传输线、对称位于对称轴线上的一段输出共面波导传输线；所述两段输入共面波导传输线分别与两段不对称共面带线输入端相连接；所述两段不对称共面带线输入端通过隔离电阻隔离，所述两段不对称共面带线输出端相连接后接入输出共面波导传输线；所述两段不对称共面带线和隔离电阻形成沿对称轴线对称的结构；所述两段输入共面波导传输线分别作为参考信号输入端口和反馈信号输入端口，所述输出共面波导传输线作为信号输出端口。

所述两组固支梁分别设置在对称轴线的两侧且相对对称轴线对称，所述固支梁跨接在位于同一侧的输入共面波导传输部分的上方，两端分别通过锚区固定在位于同一侧的地线侧边地线和公共地线上。

所述输出共面波导传输线分别与两段侧边地线通过一组终端电阻相连接，所述两组终端电阻分别对应设置有一组热电偶；所述两组热电偶的一端通过金属连接线串联连接，另一端分别通过金属连接线与直流输出块相连接；其中一个直流输出块与压控振荡器输入端相连接，另一个直流输出块接地；所述热电偶由金属热偶臂和半导体热偶臂组成。

所述压控振荡器的输出端与反馈信号输入端口相连。

功合器固支梁与下方的共面波导传输线构成补偿电容，该补偿电容的设计可以实现电路阻抗匹配的同时缩小功分器的尺寸，使整个锁相环的集成度更高。压控振荡器的输出信号反馈到功合器的一个输入端，参考信号加在功合器的另一个输入端，经间接热电式功率传感器检测，得到与参考信号和压控振荡器输出信号的相位差成比例的电压，该电压加到压控振荡器的输入端，使压控振荡器的本振信号频率随着所输入的电压的变化而变化。恰当的环路设计，这种变化可以使压控振荡器输出信号的频率与参考信号的频率一致。

更进一步的，所述共面波导传输线（3）和固支梁（12）之间设有氮化硅介质层（11），所述氮化硅介质层（11）覆盖在共面波导传输线（3）上，使功合器固支梁与下方的共面波导传输线构成补偿电容。

本发明还提出一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环的制备方法，包含如下步骤：

（1）制作砷化镓衬底：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，形成共面波导传输线（CPW）、不对称共面带线（ACPS）、地线、MEMS固支梁的锚区、直流输出块和金属连接线；

（13）反刻氮化钽，形成终端电阻，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固支梁下方共面波导传输线（CPW）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固支梁与其下方在主线共面波导传输线（CPW）上氮化硅介质层之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下方的牺牲层；

（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，形成共面波导传输线（CPW）、不对称共面带线（ACPS）、地线、MEMS固支梁、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固支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；

（24）外接压控振荡器。

有益效果：（1）本发明的锁相环基于微机械间接热电式功率传感器，具有结构新颖，电路尺寸小的优点，而且具有较高的精度；（2）本发明的锁相环易于集成，并且与GaAs单片微波集成电路兼容；（3）本发明的锁相环中的功合器固支梁与其下方的共面波导传输线构成补偿电容，该补偿电容的设计可以实现电路阻抗匹配的同时缩小功分器的尺寸，使整个锁相环的集成度更高。

附图说明

图1是本发明的锁相环结构俯视图；

图2是图1的A-A'剖面图；

图3是图1的B-B'剖面图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，本发明提出的一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环，包括以砷化镓（GaAs）为材料的衬底1、设置在衬底1上的功合器和MEMS间接式微波功率传感器、以及外接的压控振荡器，在衬底1上定义一条对称轴线，如图2所示。

功合器形成沿对称轴线对称的结构，包括地线2、共面波导传输线3、两段不对称共面带线4、隔离电阻5、两组固支梁12和锚区13；功合器的作用是将参考信号和经除法器（÷N）反馈环路输出的信号进行矢量合成。进行矢量合成的两支微波信号之间存在一个相位差，合成信号的功率与该相位差存在一个余弦函数的关系。

MEMS间接式微波功率传感器包括两组终端电阻6、金属热偶臂7、半导体热偶臂8、金属连接线9和两个直流输出块10；MEMS间接式微波功率传感器基于Seebeck原理检测合成信号功率的大小，并以电压形式输出。

地线2形成沿对称轴线对称的结构，包括对称位于对称轴线两侧且不相接触的两段侧边地线、对称位于对称轴线上的一段公共地线；

共面波导传输线3形成沿对称轴线对称的结构，包括位于对称轴线两侧且不相连接的两段输入共面波导传输线、对称位于对称轴线上的一段输出共面波导传输线；所述两段输入共面波导传输线分别与两段不对称共面带线4输入端相连接；所述两段不对称共面带线4输入端通过隔离电阻5隔离，所述两段不对称共面带线4输出端相连接后接入输出共面波导传输线；所述两段不对称共面带线4和隔离电阻5形成沿对称轴线对称的结构；所述两段输入共面波导传输线分别作为参考信号输入端口和反馈信号输入端口，所述输出共面波导传输线作为信号输出端口；如图3所示，所述共面波导传输线3和固支梁12之间设有氮化硅介质层11，所述氮化硅介质层11覆盖在共面波导传输线3上，使功合器固支梁与下方的共面波导传输线构成补偿电容。

两组固支梁12分别设置在对称轴线的两侧且相对对称轴线对称，所述固支梁12跨接在位于同一侧的输入共面波导传输部分的上方，两端分别通过锚区13固定在位于同一侧的地线2侧边地线和公共地线上；

输出共面波导传输线分别与两段侧边地线通过一组终端电阻6相连接，所述两组终端电阻6分别对应设置有一组热电偶；所述两组热电偶的一端通过金属连接线9串联连接，另一端分别通过金属连接线9与直流输出块10相连接；其中一个直流输出块10与压控振荡器输入端相连接，另一个直流输出块10接地；所述热电偶由金属热偶臂7和半导体热偶臂8组成；

压控振荡器的输出端与反馈信号输入端口相连。压控振荡器可由片外电路构成。压控振荡器的输出信号反馈到功合器其中的一个输入端，参考信号加在功合器的另一个输入端，功合器进行矢量合成，得到的微波信号功率传输到间接热电式功率传感器，输出一个与参考信号和压控振荡器输出信号的相位差呈比例的电压，该电压加到压控振荡器的输入端，则压控振荡器的本振频率随着此输入电压的变化而变化，若环路设计得当，在环路锁定时，压控振荡器输出信号的频率与参考信号的频率一致。

本发明还提供了一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环的制备方法为：

（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，形成共面波导传输线（CPW）、不对称共面带线（ACPS）、地线、MEMS固支梁的锚区、直流输出块和金属连接线；

（13）反刻氮化钽，形成终端电阻，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固支梁下方共面波导传输线（CPW）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固支梁与其下方在主线共面波导传输线（CPW）上氮化硅介质层之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下方的牺牲层；

（17）蒸发钛/金/钛，其厚度为

（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，形成共面波导传输线（CPW）、不对称共面带线（ACPS）、地线、MEMS固支梁、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固支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；

（24）外接压控振荡器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环，其特征在于：包括衬底（1）、设置在衬底（1）上的功合器和MEMS间接式微波功率传感器、以及外接的压控振荡器，在衬底（1）上定义一条对称轴线；所述功合器形成沿对称轴线对称的结构，包括地线（2）、共面波导传输线（3）、两段不对称共面带线（4）、隔离电阻（5）、两组固支梁（12）和锚区（13）；所述MEMS间接式微波功率传感器包括两组终端电阻（6）、金属热偶臂（7）、半导体热偶臂（8）、金属连接线（9）和两个直流输出块（10）；

所述地线（2）形成沿对称轴线对称的结构，包括对称位于对称轴线两侧且不相接触的两段侧边地线、对称位于对称轴线上的一段公共地线；

所述共面波导传输线（3）形成沿对称轴线对称的结构，包括位于对称轴线两侧且不相连接的两段输入共面波导传输线、对称位于对称轴线上的一段输出共面波导传输线；所述两段输入共面波导传输线分别与两段不对称共面带线（4）输入端相连接；所述两段不对称共面带线（4）输入端通过隔离电阻（5）隔离，所述两段不对称共面带线（4）输出端相连接后接入输出共面波导传输线；所述两段不对称共面带线（4）和隔离电阻（5）形成沿对称轴线对称的结构；所述两段输入共面波导传输线分别作为参考信号输入端口和反馈信号输入端口，所述输出共面波导传输线作为信号输出端口；

所述两组固支梁（12）分别设置在对称轴线的两侧且相对对称轴线对称，所述固支梁（12）跨接在位于同一侧的输入共面波导传输部分的上方，两端分别通过锚区（13）固定在位于同一侧的地线（2）侧边地线和公共地线上；

所述输出共面波导传输线分别与两段侧边地线通过一组终端电阻（6）相连接，所述两组终端电阻（6）分别对应设置有一组热电偶；所述两组热电偶的一端通过金属连接线（9）串联连接，另一端分别通过金属连接线（9）与直流输出块（10）相连接；其中一个直流输出块（10）与压控振荡器的输入端相连接，另一个直流输出块（10）接地；所述热电偶由金属热偶臂（7）和半导体热偶臂（8）组成；

所述压控振荡器的输出端与反馈信号输入端口相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环，其特征在于：所述共面波导传输线（3）和固支梁（12）之间设有氮化硅介质层（11），所述氮化硅介质层（11）覆盖在共面波导传输线（3）上。

3.一种如权利要求1所述基于微机械间接热电式功率传感器的锁相环的制备方法，其特征在于包含如下步骤：

（1）制作砷化镓衬底：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，形成共面波导传输线、不对称共面带线、地线、MEMS固支梁的锚区、直流输出块和金属连接线；

（13）反刻氮化钽，形成终端电阻，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固支梁下方共面波导传输线上的氮化硅；

（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固支梁与其下方在主线共面波导传输线上氮化硅介质层之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下方的牺牲层；

（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，形成共面波导传输线、不对称共面带线、地线、MEMS固支梁、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固支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；

（24）外接压控振荡器。

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