CN103346785B - 基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环及其制备方法，包括衬底、设置在衬底上的地线、MEMS功合器、共面波导传输线、两组MEMS固支梁结构和MEMS直接热电式微波功率传感器、以及外接的压控振荡器；MEMS功合器用于将输入的两路信号进行矢量合成，然后由MEMS直接热电式微波功率传感器检测合成后的微波信号的功率，最后输出直流电压。本发明提供的基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环不但具有新颖的结构，而且精简了一般锁相环的组成模块，其直接将鉴相器和低通滤波器两个模块简化为一个由MEMS功合器和MEMS直接热电式微波功率传感器构成的模块，提高了锁相环的集成度，并且能与GaAs单片微波集成电路兼容。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环及其制备方法，属于微电子机械(MEMS)技术。
背景技术
随着通信行业的不断发展，特别是无线通信和光纤通信的蓬勃发展，锁相环(PLL)有着越来越广泛的应用，同时各种应用对锁相技术的要求也越来越高。锁相环是一种利用反馈控制原理实现的频率及相位的同步技术，其作用是将电路输出的时钟与其外部的参考时钟保持同步。因此锁相环在众多领域有应用，如无线通信、数字电视、广播等。一个锁相环电路通常由以下模块构成：鉴相器，低通滤波器，压控振荡器和反馈回路。现在的锁相环芯片向着频率高、频带宽、集成度高、功耗低、成本低和功能强等方向发展。随着MEMS技术的发展，以及现如今对于MEMS直接热电式微波功率传感器的深入研究，使利用MEMS技术实现基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环成为可能。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环及其制备方法，直接将鉴相器和低通滤波器两个模块简化为一个由MEMS功合器和MEMS直接热电式微波功率传感器构成的模块，以提高锁相环的集成度。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环，包括衬底、设置在衬底上的地线、MEMS功合器、共面波导(CPW)传输线、两组MEMS固支梁结构和MEMS直接热电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；
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以及对称位于对称轴线上的一段公共地线；
所述MEMS功合器形成沿对称轴线对称的结构，包括对称位于对称轴线两侧的两段不对称共面带线(ACPS)和隔离电阻，所述两段不对称共面带线的输入端通过隔离电阻隔离，所述两段不对称共面带线的输出端相连接；
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以及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的输入端相连接，分别作为参考信号输入端口和反馈信号输入端口；所述两段不对称共面带线的输出端相连接后接入输出共面波导传输线，作为信号输出端口；
所述两组MEMS固支梁结构分别设置在对称轴线的两侧且相对对称轴线对称，所述MEMS固支梁结构包括MEMS固支梁和锚区，所述MEMS固支梁跨接在位于同一侧的输入共面波导传输线的上方，所述MEMS固支梁的两端分别通过锚区固定在位于同一侧的侧边地线和公共地线上；所述MEMS固支梁和位于其下方的输入共面波导传输线构成补偿电容；
所述MEMS直接热电式微波功率传感器包括两组氮化钽电阻、半导体热电偶臂和直流输出块，所述信号输出端口分成两路分别通过一组氮化钽电阻和半导体热电偶臂与两段侧边地线相连接，其中一段侧边地线通过一个直流输出块接入压控振荡器，另一段侧边地线通过另一个直流输出块接地；所述两组氮化钽电阻和半导体热电偶臂形成串联结构；
所述压控振荡器的输出信号接入反馈信号输入端口。
优选的，所述输入共面波导传输线上位于MEMS固支梁下方的部分表面覆盖有氮化硅介质层。
优选的，其中一个直流输出块和侧边地线之间的连接线的两层金属之间有氮化硅介质层。
优选的，所述MEMS直接热电式微波功率传感器基于Seebeck原理对MEMS功合器输出的合成微波信号的功率进行检测，并在直流输出块上以直流电压的形式输出测量结果。
所述衬底为砷化镓衬底。
上述锁相环中，CPW传输线用于实现微波信号的传输。MEMS固支梁和位于其下方的输入共面波导传输线构成补偿电容，该补偿电容的设计可以在实现电路阻抗匹配的同时缩小MEMS功合器的尺寸，使得整个锁相环的集成度更高。MEMS功合器用于将输入的两路信号(参考信号和反馈信号)进行矢量合成，然后由MEMS直接热电式微波功率传感器检测合成后的微波信号的功率，最后输出直流电压；输出的直流电压直接接入到压控振荡器的输入端，由压控振荡器产生输出信号；压控振荡器产生的输出信号接入反馈信号端，形成负反馈控制系统，从而实现基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环。通过该锁相环可以实现输出信号与参考信号频率相等。
一种基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环的制备方法，包括如下步骤：
(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N+砷化镓，形成热电堆的半导体热偶臂的图形；
(3)反刻N+砷化镓，形成掺杂浓度为1017cm-3的热电堆的半导体热偶臂；
(4)光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；
(5)溅射氮化钽，厚度为1μm；
(6)剥离；
(7)光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；
(8)蒸发第一层金，厚度为0.3μm；
(9)剥离，形成共面波导传输线和地线，MEMS固支梁的锚区；
(10)反刻氮化钽，形成氮化钽电阻和隔离电阻，其方块电阻为25Ω/□；
(11)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；
(12)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介质层，以及隔离MEMS直接热电式功率传感器输出端和地线连接处的氮化硅介质层；
(13)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，通过聚酰亚胺牺牲层的厚度决定MEMS固支梁与其下方氮化硅介质层之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS固支梁下方的牺牲层；
(14)蒸发钛/金/钛，厚度为蒸发用于电镀的底金；
(15)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
(16)电镀金，厚度为2μm；
(17)去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；
(18)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成共面波导传输线、地线、MEMS固支梁、直流输出块；
(19)将该砷化镓衬底背面减薄至100μm；
(20)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；
(21)外接压控振荡器。
有益效果：本发明提供的基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环不但具有新颖的结构，而且精简了一般锁相环的组成模块，其直接将鉴相器和低通滤波器两个模块简化为一个由MEMS功合器和MEMS直接热电式微波功率传感器构成的模块，提高了锁相环的集成度，并且能与GaAs单片微波集成电路兼容。
附图说明
图1为本发明的俯视结构示意图；
图2为图1的A-A'向剖面图；
图3为图1的B-B'向剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、图2、图3所示为基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环，包括衬底1、设置在衬底1上的地线2、MEMS功合器、共面波导传输线3、两组MEMS固支梁结构和MEMS直接热电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；下面就各个组成部分加以具体说明。
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以及对称位于对称轴线上的一段公共地线。
所述MEMS功合器用于将输入的两路信号(参考信号和反馈信号)进行矢量合成，其形成沿对称轴线对称的结构，包括对称位于对称轴线两侧的两段不对称共面带线4和隔离电阻5，所述两段不对称共面带线4的输入端通过隔离电阻5隔离，所述两段不对称共面带线4的输出端相连接。
所述共面波导传输线3用于实现微波信号的传输，其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以及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的输入端相连接，分别作为参考信号输入端口和反馈信号输入端口；所述两段不对称共面带线4的输出端相连接后接入输出共面波导传输线，作为信号输出端口。
所述两组MEMS固支梁结构分别设置在对称轴线的两侧且相对对称轴线对称，所述MEMS固支梁结构包括MEMS固支梁10和锚区11，所述MEMS固支梁10跨接在位于同一侧的输入共面波导传输线的上方，所述MEMS固支梁10的两端分别通过锚区11固定在位于同一侧的侧边地线和公共地线上；所述输入共面波导传输线上位于MEMS固支梁10下方的部分表面覆盖有氮化硅介质层9，所述MEMS固支梁10和位于其下方的输入共面波导传输线构成补偿电容，该补偿电容的设计可以在实现电路阻抗匹配的同时缩小MEMS功分器的尺寸，使得整个锁相环的集成度更高。
所述MEMS直接热电式微波功率传感器用于对MEMS功合器合成后的微波信号的功率进行检测并输出直流电压，其包括两组氮化钽电阻7、半导体热电偶臂6和直流输出块8，所述信号输出端口分成两路分别通过一组氮化钽电阻7和半导体热电偶臂6与两段侧边地线相连接，其中一段侧边地线通过一个直流输出块8接入压控振荡器，另一段侧边地线通过另一个直流输出块8接地；所述两组氮化钽电阻7和半导体热电偶臂6形成串联结构；其中一个直流输出块8和侧边地线之间的连接线的两层金属之间有氮化硅介质层9。所述MEMS直接热电式微波功率传感器基于Seebeck原理对MEMS功合器输出的合成微波信号的功率进行检测，并在直流输出块8上以直流电压的形式输出测量结果。
所述压控振荡器的输出信号接入反馈信号输入端口，形成负反馈控制系统，从而实现基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环。通过该锁相环可以实现输出信号与参考信号频率相等。
一种基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环的制备方法，包括如下步骤：
(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N+砷化镓，形成热电堆的半导体热偶臂的图形；
(3)反刻N+砷化镓，形成掺杂浓度为1017cm-3的热电堆的半导体热偶臂；
(4)光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；
(5)溅射氮化钽，厚度为1μm；
(6)剥离；
(7)光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；
(8)蒸发第一层金，厚度为0.3μm；
(9)剥离，形成共面波导传输线和地线，MEMS固支梁的锚区；
(10)反刻氮化钽，形成氮化钽电阻和隔离电阻，其方块电阻为25Ω/□；
(11)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；
(12)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介质层，以及隔离MEMS直接热电式功率传感器输出端和地线连接处的氮化硅介质层；
(13)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，通过聚酰亚胺牺牲层的厚度决定MEMS固支梁与其下方氮化硅介质层之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS固支梁下方的牺牲层；
(14)蒸发钛/金/钛，厚度为蒸发用于电镀的底金；
(15)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
(16)电镀金，厚度为2μm；
(17)去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；
(18)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成共面波导传输线、地线、MEMS固支梁、直流输出块；
(19)将该砷化镓衬底背面减薄至100μm；
(20)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；
(21)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 (5)
1.基于微机械直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)上的地线(2)、MEMS功合器、共面波导传输线(3)、两组MEMS固支梁结构和MEMS直接热电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以及对称位于对称轴线上的一段公共地线；
所述MEMS功合器形成沿对称轴线对称的结构，包括对称位于对称轴线两侧的两段不对称共面带线(4)和隔离电阻(5)，所述两段不对称共面带线(4)的输入端通过隔离电阻(5)隔离，所述两段不对称共面带线(4)的输出端相连接；
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以及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)的输入端相连接，分别作为参考信号输入端口和反馈信号输入端口；所述两段不对称共面带线(4)的输出端相连接后接入输出共面波导传输线，作为信号输出端口；
所述两组MEMS固支梁结构分别设置在对称轴线的两侧且相对对称轴线对称，所述MEMS固支梁结构包括MEMS固支梁(10)和锚区(11)，所述MEMS固支梁(10)跨接在位于同一侧的输入共面波导传输线的上方，所述MEMS固支梁(10)的两端分别通过锚区(11)固定在位于同一侧的侧边地线和公共地线上；所述MEMS固支梁(10)和位于其下方的输入共面波导传输线构成补偿电容；
所述MEMS直接热电式微波功率传感器包括两组氮化钽电阻(7)、半导体热电偶臂(6)和直流输出块(8)，所述信号输出端口分成两路分别通过一组氮化钽电阻(7)和半导体热电偶臂(6)与两段侧边地线相连接，其中一段侧边地线通过一个直流输出块(8)接入压控振荡器，另一段侧边地线通过另一个直流输出块(8)接地；所述两组氮化钽电阻(7)和半导体热电偶臂(6)形成串联结构；
所述压控振荡器的输出信号接入反馈信号输入端口。
2.根据权利要求1所述的基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环，其特征在于：所述输入共面波导传输线上位于MEMS固支梁(10)下方的部分表面覆盖有氮化硅介质层(9)。
3.根据权利要求1所述的基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环，其特征在于：其中一个直流输出块(8)和侧边地线之间的连接线的两层金属之间有氮化硅介质层(9)。
4.根据权利要求1所述的基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环，其特征在于：所述MEMS直接热电式微波功率传感器基于Seebeck原理对MEMS功合器输出的合成微波信号的功率进行检测，并在直流输出块(8)上以直流电压的形式输出测量结果。
5.一种根据权利要求1所述的基于微机械直接热电式功率传感器的锁相环的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(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N+砷化镓，形成热电堆的半导体热偶臂的图形；
(3)反刻N+砷化镓，形成掺杂浓度为1017cm-3的热电堆的半导体热偶臂；
(4)光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；
(5)溅射氮化钽，厚度为1μm；
(6)剥离；
(7)光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；
(8)蒸发第一层金，厚度为0.3μm；
(9)剥离，形成共面波导传输线和地线，MEMS固支梁的锚区；
(10)反刻氮化钽，形成氮化钽电阻和隔离电阻，其方块电阻为25Ω/□；
(11)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；
(12)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介质层，以及隔离MEMS直接热电式功率传感器输出端和地线连接处的氮化硅介质层；
(13)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，通过聚酰亚胺牺牲层的厚度决定MEMS固支梁与其下方氮化硅介质层之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS固支梁下方的牺牲层；
(14)蒸发钛/金/钛，厚度为蒸发用于电镀的底金；
(15)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
(16)电镀金，厚度为2μm；
(17)去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；
(18)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成共面波导传输线、地线、MEMS固支梁、直流输出块；
(19)将该砷化镓衬底背面减薄至100μm；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 210093 Nanjing University Science Park, 22 Hankou Road, Gulou District, Nanjing City, Jiangsu Province Patentee after: Southeast University Address before: 210033 Xigang office, Qixia District, Nanjing, Jiangsu, No. 8, Qi Min Dong Road, Xingshan City, Patentee before: Southeast University |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150805 Termination date: 20190619 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |