CN103364636B - 基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器及制备方法，第一CPW信号线和第二CPW信号线分别作为参考信号和反馈信号的输入端，经过一个二合一功合器连接到第三CPW信号线，第三CPW信号线上方的MEMS悬臂梁和传感电极在MEMS悬臂梁的锚区和传感电极的压焊块之间构成了MEMS悬臂梁电容式功率传感器，MEMS悬臂梁电容式功率传感器中的可变电容用于组成电容三点式压控振荡器，电容三点式压控振荡器的输出信号接入频率计的输入端，从而构成位检测器回路。本发明具有结构新颖、低功耗、高灵敏度以及易于集成的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器及制备方法，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
相位检测器可以用来测量两个信号之间的相位差，相位检测器在信号变换、信息采集、控制、微波定位、天线方向图测量和近场诊断等方面有着重要意义和广泛应用。实现微波相位检测的方法有很多种：矢量法、基于二极管结构的鉴相法、利用场效应管的乘器法，以及取样混频法等，还有利用计算机组成的测试系统。近年来，随着对MEMS悬臂梁电容式功率传感器研究的不断深入，使基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器成为可能。
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悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器及制备方法，解决了传统相位检测器占用空间较大，集成度低，直流耗损较大的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器，包括砷化镓衬底，设置在砷化镓衬底上的地线、CPW信号线、功合器和MEMS悬臂梁电容式功率传感器，以及外接的电容三点式压控振荡器和频率计，在砷化镓衬底上定义一条对称轴线；
所述地线包括上侧边地线、下侧边地线和一条公共地线，所述上侧边地线和下侧边地线分别设置在对称轴线的上侧和下侧，所述公共地线位于称轴线上，所述上侧边地线通过一个空气桥与公共地线连接，所述下侧边地线通过一个空气桥与公共地线连接；
所述功合器包括对称位于对称轴线两侧的两条ACPS信号线和隔离电阻，所述两条ACPS信号线的输入端通过隔离电阻隔离，所述两条ACPS信号线的输入端作为功合器的输入端，所述两条ACPS信号线的输出端相连后作为功合器的输出端；
所述CPW信号线包括第一CPW信号线、第二CPW信号线和第三CPW信号线，所述第一CPW信号线和第二CPW信号线对称位于对称轴线的两侧且不相连，所述第三CPW信号线对称位于对称轴线上，所述第一CPW信号线和第二CPW信号线分别与功合器的两个输入端相连，分别作为第一参考信号和第二参考信号的输入端，所述连接上侧边地线和公共地线的空气桥横跨在第一CPW信号线上，所述连接下侧边地线和公共地线的空气桥横跨在第二CPW信号线上，所述第三CPW信号线与功合器的输出端相连，所述第三CPW信号线的末端与上侧边地线之间设有终端匹配电阻，所述第三CPW信号线的末端与下侧边地线之间也设有终端匹配电阻；
所述MEMS悬臂梁电容式功率传感器的MEMS悬臂梁横跨在第三CPW信号线的上方，所述MEMS悬臂梁的固定端固定在锚区上，所述MEMS悬臂梁的下方还设有传感电极，所述传感电极与MEMS悬臂梁组成的可变电容用以感应第三CPW信号线传输而来的微波信号功率变化，所述传感电极通过连接线与压焊块相连；
所述锚区和压焊块分别与外接的电容三点式压控振荡器的两个输入端相连，所述电容三点式压控振荡器的输出端与频率计的输入端相连。
所述锚区位于上侧边地线/下侧边地线的外侧，所述上侧边地线/下侧边地线、第三CPW信号线和传感电极位于MEMS悬臂梁下方的表面上设置有氮化硅介质层；所述上侧边地线的外侧表示上侧边地线相对下侧边地线的另一侧，下侧边地线的外侧表示下侧边地线相对上侧边地线的另一侧。
所述压焊块位于上侧边地线/下侧边地线的外侧，所述上侧边地线/下侧边地线上设有缺口，所述连接线穿过缺口，所述缺口两端通过空气桥连接，所述连接线位于空气桥下方的表面上设有氮化硅介质层；所述上侧边地线的外侧表示上侧边地线相对下侧边地线的另一侧，下侧边地线的外侧表示下侧边地线相对上侧边地线的另一侧。
所述第一CPW信号线和第二CPW信号线位于空气桥下方的表面上设有氮化硅介质层。
以上所述的基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器，第一CPW信号线、上侧边地线和公共地线构成了一条CPW传输线，第二CPW信号线、下侧边地线和公共地线构成了另一条CPW传输线，第三CPW信号线、下侧边地线和上侧边地线构成了第三条CPW传输线，第一CPW信号线和第二CPW信号线分别作为第一参考信号和第二参考信号的输入端，两个空气桥与其下方的第一CPW信号线和第二CPW信号线均构成补偿电容，该补偿电容的设计可以在实现电路阻抗匹配，使整个相位检测器的集成度更高，经过一个二合一功合器将两路信号矢量合成，再将合成信号传输到第三CPW信号线上，然后MEMS悬臂梁电容式功率传感器检测第三CPW信号线上的合成信号的功率，最后输出可变电容，输出的可变电容直接接入电容三点式压控振荡器，MEMS悬臂梁和传感电极构成的可变电容用于组成电容三点式压控振荡器，电容三点式压控振荡器的输出信号接入到频率计，从而构成完整相位检测器。
基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器的制备方法，包括以下步骤：
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重掺杂，其方块电阻值为100Ω～130Ω；
2)光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；
3)溅射氮化钽，其厚度为1μm；
4)剥离；
5)光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；
6)蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；
7)剥离，初步形成地线和CPW信号线、MEMS悬臂梁的锚区、传感电极、传感电极的压焊块以及连接线；
8)反刻氮化钽，形成功合器的隔离电阻和第三CPW信号线末端的终端匹配电阻，其电阻值为25Ω；
9)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；
10)光刻并刻蚀氮化硅介质层：保留MEMS悬臂梁下方第三CPW信号线和下侧边地线、传感电极、以及空气桥下方连接线上的氮化硅；
11)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；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS悬臂梁和空气桥下方的牺牲层；
12)蒸发钛/金/钛，其厚度为蒸发用于电镀的底金；
13)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
14)电镀金，其厚度为2μm；
15)去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；
16)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成地线和CPW信号线、MEMS悬臂梁、锚区、空气桥、传感电极的压焊块以及连接线；
17)将该砷化镓衬底背面减薄至100μm；
18)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁和空气桥下方的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干；
19)外接电容三点式压控振荡器和频率计。
有益效果：本发明的基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器不但具有结构新颖、低功耗以及易于集成的优点。本发明输入端测试信号和参考信号的相位差与悬臂梁和传感电极之间的可变电容有一定的函数关系，而且电容三点式压控振荡器输出信号的频率与悬臂梁和传感电极之间的可变电容有一定的函数关系，由此可反推算出测试信号和参考信号的相位差。而且与传统的相位检测器相比，本发明具有结构新颖、低功耗、高灵敏度以及易于集成的优点。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为本发明的A1-A2剖面图。
图3为本发明的B1-B2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、2和3所示：基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器包括砷化镓衬底1，设置在砷化镓衬底1上的地线、CPW信号线、功合器和MEMS悬臂梁电容式功率传感器，以及外接的电容三点式压控振荡器和频率计，在砷化镓衬底1上定义一条对称轴线；
所述地线包括上侧边地线21、下侧边地线22和一条公共地线23，所述上侧边地线21和下侧边地线22分别设置在对称轴线的上侧和下侧，所述公共地线23位于称轴线上，所述上侧边地线21通过一个空气桥10与公共地线23连接，所述下侧边地线22通过一个空气桥10与公共地线23连接；
所述功合器包括对称位于对称轴线两侧的两条ACPS信号线5和隔离电阻4，所述两条ACPS信号线5的输入端通过隔离电阻4隔离，所述两条ACPS信号线5的输入端作为功合器的输入端，所述两条ACPS信号线5的输出端相连后作为功合器的输出端；
所述CPW信号线包括第一CPW信号线31、第二CPW信号线32和第三CPW信号线33，所述第一CPW信号线31和第二CPW信号线32对称位于对称轴线的两侧且不相连，所述第三CPW信号线33对称位于对称轴线上，所述第一CPW信号线31和第二CPW信号线32分别与功合器的两个输入端相连，分别作为第一参考信号和第二参考信号的输入端，所述连接上侧边地线21和公共地线23的空气桥10横跨在第一CPW信号线31上，所述连接下侧边地线22和公共地线23的空气桥10横跨在第二CPW信号线32上，所述第三CPW信号线33与功合器的输出端相连，所述第三CPW信号线33的末端与上侧边地线21之间设有终端匹配电阻6，所述第三CPW信号线33的末端与下侧边地线22之间也设有终端匹配电阻6；
所述MEMS悬臂梁电容式功率传感器的MEMS悬臂梁12横跨在第三CPW信号线33的上方，所述MEMS悬臂梁12的固定端固定在锚区11上，所述MEMS悬臂梁12的下方还设有传感电极7，所述传感电极7与MEMS悬臂梁组成的可变电容用以感应第三CPW信号线33传输而来的微波信号功率变化，所述传感电极7通过连接线13与压焊块8相连；
所述锚区11和压焊块8分别与外接的电容三点式压控振荡器的两个输入端相连，所述电容三点式压控振荡器的输出端与频率计的输入端相连。
所述锚区11位于上侧边地线21/下侧边地线22的外侧，所述上侧边地线21/下侧边地线22、第三CPW信号线33和传感电极7位于MEMS悬臂梁12下方的表面上设置有氮化硅介质层9。
所述压焊块8位于上侧边地线21/下侧边地线22的外侧，所述上侧边地线21/下侧边地线22上设有缺口，所述连接线13穿过缺口，所述缺口两端通过空气桥10连接，所述连接线13位于空气桥10下方的表面上设有氮化硅介质层9。
所述第一CPW信号线和第二CPW信号线位于空气桥10下方的表面上设有氮化硅介质层9。
以上所述的基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器，第一CPW信号线、上侧边地线和公共地线构成了一条CPW传输线，第二CPW信号线、下侧边地线和公共地线构成了另一条CPW传输线，第三CPW信号线、下侧边地线和上侧边地线构成了第三条CPW传输线，第一CPW信号线和第二CPW信号线分别作为第一参考信号和第二参考信号的输入端，两个空气桥与其下方的第一CPW信号线和第二CPW信号线均构成补偿电容，该补偿电容的设计可以在实现电路阻抗匹配，使整个相位检测器的集成度更高，经过一个二合一功合器将两路信号矢量合成，再将合成信号传输到第三CPW信号线上，然后MEMS悬臂梁电容式功率传感器检测第三CPW信号线上的合成信号的功率，最后输出可变电容，输出的可变电容直接接入电容三点式压控振荡器，MEMS悬臂梁和传感电极构成的可变电容用于组成电容三点式压控振荡器，电容三点式压控振荡器的输出信号接入到频率计，从而构成完整相位检测器。
基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器的制备方法，包括以下步骤：
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重掺杂(一般浓度大于等于1018cm-3)，其方块电阻值为100Ω～130Ω；
2)光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；
3)溅射氮化钽，其厚度为1μm；
4)剥离；
5)光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；
6)蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；
7)剥离，初步形成地线和CPW信号线、MEMS悬臂梁的锚区、传感电极、传感电极的压焊块以及连接线；
8)反刻氮化钽，形成功合器的隔离电阻和第三CPW信号线末端的终端匹配电阻，其电阻值为25Ω；
9)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；
10)光刻并刻蚀氮化硅介质层：保留MEMS悬臂梁下方第三CPW信号线和下侧边地线、传感电极、以及空气桥下方连接线上的氮化硅；
11)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；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS悬臂梁和空气桥下方的牺牲层；
12)蒸发钛/金/钛，其厚度为蒸发用于电镀的底金；
13)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
14)电镀金，其厚度为2μm；
15)去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；
16)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成地线和CPW信号线、MEMS悬臂梁、MEMS悬臂梁的锚区、空气桥、传感电极的压焊块以及连接线；
17)将该砷化镓衬底背面减薄至100μm；
18)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁和空气桥下方的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干；
19)外接电容三点式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 (5)
1.基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器，其特征在于：包括砷化镓衬底(1)，设置在砷化镓衬底(1)上的地线、CPW信号线、功合器和MEMS悬臂梁电容式功率传感器，以及外接的电容三点式压控振荡器和频率计，在砷化镓衬底(1)上定义一条对称轴线；
所述地线包括上侧边地线(21)、下侧边地线(22)和一条公共地线(23)，所述上侧边地线(21)和下侧边地线(22)分别设置在对称轴线的上侧和下侧，所述公共地线(23)位于称轴线上，所述上侧边地线(21)通过一个空气桥(10)与公共地线(23)连接，所述下侧边地线(22)通过一个空气桥(10)与公共地线(23)连接；
所述功合器包括对称位于对称轴线两侧的两条ACPS信号线(5)和隔离电阻(4)，所述两条ACPS信号线(5)的输入端通过隔离电阻(4)隔离，所述两条ACPS信号线(5)的输入端作为功合器的输入端，所述两条ACPS信号线(5)的输出端相连后作为功合器的输出端；
所述CPW信号线包括第一CPW信号线(31)、第二CPW信号线(32)和第三CPW信号线(33)，所述第一CPW信号线(31)和第二CPW信号线(32)对称位于对称轴线的两侧且不相连，所述第三CPW信号线(33)对称位于对称轴线上，所述第一CPW信号线(31)和第二CPW信号线(32)分别与功合器的两个输入端相连，分别作为第一参考信号和第二参考信号的输入端，所述连接上侧边地线(21)和公共地线(23)的空气桥(10)横跨在第一CPW信号线(31)上，所述连接下侧边地线(22)和公共地线(23)的空气桥(10)横跨在第二CPW信号线(32)上，所述第三CPW信号线(33)与功合器的输出端相连，所述第三CPW信号线(33)的末端与上侧边地线(21)之间设有终端匹配电阻(6)，所述第三CPW信号线(33)的末端与下侧边地线(22)之间也设有终端匹配电阻(6)；
所述MEMS悬臂梁电容式功率传感器的MEMS悬臂梁(12)横跨在第三CPW信号线(33)的上方，所述MEMS悬臂梁(12)的固定端固定在锚区(11)上，所述MEMS悬臂梁(12)的下方还设有传感电极(7)，所述传感电极(7)与MEMS悬臂梁(12)组成的可变电容用以感应第三CPW信号线(33)传输而来的微波信号功率变化，所述传感电极(7)通过连接线(13)与压焊块(8)相连；
所述锚区(11)和压焊块(8)分别与外接的电容三点式压控振荡器的两个输入端相连，所述电容三点式压控振荡器的输出端与频率计的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器，其特征在于：所述锚区(11)位于上侧边地线(21)/下侧边地线(22)的外侧，所述上侧边地线(21)/下侧边地线(22)、第三CPW信号线(33)和传感电极(7)位于MEMS悬臂梁(12)下方的表面上设置有氮化硅介质层(9)；所述上侧边地线(21)的外侧表示上侧边地线(21)相对下侧边地线(22)的另一侧，下侧边地线(22)的外侧表示下侧边地线(22)相对上侧边地线(21)的另一侧。
3.根据权利要求1所述的基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器，其特征在于：所述压焊块(8)位于上侧边地线(21)/下侧边地线(22)的外侧，所述上侧边地线(21)/下侧边地线(22)上设有缺口，所述连接线(13)穿过缺口，所述缺口两端通过空气桥(10)连接，所述连接线(13)位于空气桥(10)下方的表面上设有氮化硅介质层(9)；所述上侧边地线(21)的外侧表示上侧边地线(21)相对下侧边地线(22)的另一侧，下侧边地线(22)的外侧表示下侧边地线(22)相对上侧边地线(21)的另一侧。
4.根据权利要求1所述的基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器，其特征在于：所述第一CPW信号线和第二CPW信号线位于空气桥(10)下方的表面上设有氮化硅介质层(9)。
5.基于权利要求1所述的基于微机械悬臂梁电容式功率传感器的相位检测器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
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重掺杂，其方块电阻值为100Ω～130Ω；
2)光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；
3)溅射氮化钽，其厚度为1μm；
4)剥离；
5)光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；
6)蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；
7)剥离，初步形成地线和CPW信号线、MEMS悬臂梁的锚区、传感电极、传感电极的压焊块以及连接线；
8)反刻氮化钽，形成功合器的隔离电阻和第三CPW信号线末端的终端匹配电阻，其电阻值为25Ω；
9)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；
10)光刻并刻蚀氮化硅介质层：保留MEMS悬臂梁下方第三CPW信号线和下侧边地线、传感电极、以及空气桥下方连接线上的氮化硅；
11)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；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS悬臂梁和空气桥下方的牺牲层；
12)蒸发钛/金/钛，其厚度为：蒸发用于电镀的底金；
13)光刻：去除要电镀地方的光刻胶；
14)电镀金，其厚度为2μm；
15)去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；
16)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成地线和CPW信号线、MEMS悬臂梁、锚区、空气桥、传感电极的压焊块以及连接线；
17)将该砷化镓衬底背面减薄至100μm；
18)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁和空气桥下方的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干；
19)外接电容三点式压控振荡器和频率计。
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2013
- 2013-06-19 CN CN201310243845.9A patent/CN103364636B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| A MEMS Phase Detector at X-Band Based on MMIC Technology;Di Hua,et al;《IEEE SENSORS 2009 Conference》;20091231;第506-508页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103364636A (zh) | 2013-10-23 |
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