CN103344833B - 一种基于微机械间接热电式功率传感器的相位检测器及制法 - Google Patents
一种基于微机械间接热电式功率传感器的相位检测器及制法 Download PDFInfo
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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相位检测器及制法,该相位检测器包括以砷化镓为材料的衬底、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和频率计,两个输入信号加在功合器的两个输入端,经间接热电式功率传感器检测,得到与两个输入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,可使压控振荡器产生一定振荡频率的信号,压控振荡器的输出频率可以由频率计检测出来,从而达到相位检测的目的;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相位检测器的制备方法。该发明结构简单、体积更小、精度更高,具有很好的实用性。
Description
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相位检测器。
背景技术
在微波技术中,相位是表征微波信号的三大参数(幅度、频率和相位)之一,在很多电子和通信系统中都需要测量两个信号之间的相位差。当前广泛采用的相位检测器技术有基于二极管的平方率检波特性的,但是测量的动态范围较小;利用场效应管乘法器进行微波相位检测,其结构比较复杂,而且需要加直流偏置从而增加了功耗;还有利用余弦定理进行测量的方法,但是精度不是很高。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:结构简单,体积较小以及精度较高的相位检测器电路成为一种趋势。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相位检测器成为可能,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相位检测器。
发明内容
为解决目前相位检测器存在的不足,本发明提出一种基于微机械间接热电式功率传感器的相位检测器,该相位检测器结构简单、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相位检测器,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和频率计,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一号信号输入端口和二号信号输入端口,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频率计输入端相连。
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,使整个相位检测器的集成度更高。一号输入信号与二号输入信号通过功合器,经间接热电式功率传感器检测,得到一个与一号输入信号与二号输入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,可使压控振荡器产生一定振荡频率的信号,压控振荡器的输出频率可以由频率计检测出来。由于压控振荡器输出频率值与间接热电式功率传感器的输出电压有一定的函数关系,且此输出电压是关于一号输入信号与二号输入信号之间相位差的函数关系式,故检测出的压控振荡器输出频率值可以反推算出一号输入信号与二号输入信号的相位差。
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相位检测器的制备方法,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)外接压控振荡器和频率计。
有益效果:(1)本发明的相位检测器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)本发明的相位检测器易于集成,并且与GaAs单片微波集成电路兼容;(3)本发明的相位检测器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,使整个相位检测器的集成度更高。
附图说明
图1是本发明的相位检测器结构俯视图;
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相位检测器,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和频率计,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;功合器的作用是将一号输入信号与二号输入信号进行矢量合成,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一号输入信号与二号输入信号,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频率计输入端相连,压控振荡器和频率计可由片外电路构成。一号输入信号与二号输入信号通过功合器,经间接热电式功率传感器检测,得到一个与一号输入信号与二号输入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,可使压控振荡器产生一定振荡频率的信号,压控振荡器的输出频率可以由频率计检测出来。由于压控振荡器输出频率值与间接热电式功率传感器的输出电压有一定的函数关系,且此输出电压是关于一号输入信号与二号输入信号之间相位差的函数关系式,故检测出的压控振荡器输出频率值可以反推算出一号输入信号与二号输入信号的相位差。
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相位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)外接压控振荡器和频率计。
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相位检测器,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和频率计,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一号信号输入端口和二号信号输入端口,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频率计输入端相连。
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相位检测器,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相位检测器的制备方法,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)外接压控振荡器和频率计。
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CP02 | Change in the address of a patent holder |
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