CN106771581B - 硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器 - Google Patents

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Abstract

本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器是由传感器、模数转换、MCS51单片机和液晶显示三个大模块组成，传感器是由共面波导、缝隙耦合结构、移相器、单刀双掷开关、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及直接式热电式功率传感器所构成，该结构制作在高阻Si衬底上，上方的两个缝隙耦合结构实现信号的频率测量，下方的两个缝隙耦合结构实现信号的相位测量；Wilkinson功分器和Wilkinson功合器主要是由共面波导、非对称共面带线和隔离电阻组成；直接式热电式功率传感器主要由共面波导、两个热电偶和隔直电容所构成。模数转换部分由STM32和AD620外围电路构成，MCS51单片机用于公式计算，液晶显示部分由一块液晶显示屏构成，这些结构简单高效，大大提高了信号检测器的效率。

Description

硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器
技术领域
本发明提出了硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
当今时代是信息科学技术日益深刻发展的时代，各种各样的电子电路技术都层出不穷的出现，在微波领域，对微波信号各种参量的探测技术是人们非常需求的一种科学技术。毫米波信号是波长为一到十毫米范围内的电磁波，它处于微波和远红外波相交叠的区域，简单的说毫米波是微波向高频的延伸或光波向低频的发展，过去，人们只对微波及微波以下的低频信号进行着深刻的研究，但是随着目前信号频率的不断上升，毫米波信号的检测技术也是人们日益注重的课题。其中，频率、相位和功率是描述一个完整毫米波信号的三大参数，毫米波的检测就是对这三大参数的测量，但是随着军事需求的快速增加，原有的信号检测仪器大多已经不能满足当下的需要，尤其是微波频段内的各种高频问题，这些问题一直制约着信号检测器的发展。
随着对共面波导缝隙耦合结构、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及直接式热电式功率传感器的深入研究，针对以上信号检测器的问题，本发明在高阻Si衬底上设计了一种将毫米波频率、相位和功率检测集成在一起的毫米波信号检测仪器，对毫米波的三大参数实行高效的检测，而且通过模数转换和液晶显示环节对测得的微波参量进行显示输出，得到一个完整的微波信号检测仪器，有着很大的应用价值。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器，在频率很高的毫米波范围内，信号的频率检测、相位检测和功率检测一直受到无法兼容集成的困扰，而且效率也不高，于是本发明就利用了共面波导缝隙耦合结构实现毫米波的频率、相位和功率的集成测量，而Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及直接式热电式微波功率传感器也能有效地和这些缝隙耦合结构集成在一起，并通过模数转换将待测的参量直接显示在液晶屏幕上，形成一个全面的微波信号检测仪器。
技术方案：本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器主要是由传感器、模数转换、MCS51单片机和液晶显示四个大模块组成，这四个大模块又由一些基础的小模块和电路构成。
其中传感器部分是由频率检测模块、相位检测模块和功率检测模块这三个小模块构成，它们是由共面波导、一号缝隙耦合结构、二号缝隙耦合结构、三号缝隙耦合结构、四号缝隙耦合结构、移相器、一号单刀双掷开关、二号单刀双掷开关、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及六个直接式热电式功率传感器所构成，具体结构的连接关系如下：第一端口是信号输入端，一号缝隙耦合结构和二号缝隙耦合结构位于共面波导上侧地线，三号缝隙耦合结构和四号缝隙耦合结构则位于共面波导下侧地线，这两对缝隙关于中心信号线对称，它们之间由一个移相器隔开，首先来看频率检测模块，一号缝隙耦合结构连接到第二端口，第二端口与一号单刀双掷开关的输入端相连，一号单刀双掷开关的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和一号直接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构连接到第三端口，第三端口与二号单刀双掷开关的输入端相连，二号单刀双掷开关的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号直接式热电式功率传感器，而一号Wilkinson功合器的输出端连接到三号直接式热电式功率传感器；再看相位检测模块，三号缝隙耦合结构与第四端口相连，第四端口连接到二号Wilkinson功合器，四号缝隙耦合结构与第五端口相连，第五端口连接到三号Wilkinson功合器，参考信号通过四号Wilkinson功分器的输入端输入，四号Wilkinson功分器的输出端分别连接到二号Wilkinson功合器和三号Wilkinson功合器，然后，二号Wilkinson功合器的输出端连接四号直接式热电式功率传感器，三号Wilkinson功合器的输出端连接五号直接式热电式功率传感器，最后是功率检测模块，在第六端口处连接着六号直接式热电式功率传感器。
首先，对于毫米波的频率检测模块，它主要是由共面波导上方的两个缝隙耦合结构、一段移相器、两个单刀双掷开关、一个Wilkinson功合器以及一个直接式热电式功率传感器所构成，毫米波信号首先经过第一个缝隙耦合结构耦合出小部分的信号P1(对应电压为V1)，然后经过一段移相器之后再由另一个缝隙耦合结构耦合出部分的信号P2(对应电压为V2)，这样两个耦合信号之间就产生了一定的相位差实际上这段移相器就是一段共面波导，它的长度设置为以中心频率f0为35GHz处波长的1/4，此时相位差就是90°，但是当频率f变化时，相位差是频率f的函数：
其中f为毫米波信号的频率，c为光速，εer为传输线的相对介电常数，ΔL为移相器的长度，因此只要测出的值，就能得到频率f的大小。于是将两个耦合信号P1、P2经过Wilkinson功合器进行合成，再用直接式功率传感器去检测合成信号功率Ps的大小，合成信号的功率Ps(对应电压为Vs)是关于相位差的三角函数关系：
由于耦合信号P1、P2的大小未知，因此这里采用了两个单刀双掷开关将两个耦合出来的小信号率先进行功率检测，得到其功率大小，然后再通过Wilkinson功合器进行功率合成，于是由公式(2)就能计算出频率f的大小。注意这里的相位差只是两个耦合小信号之间的相位差，并不是原毫米波信号的相位Φ，还需要通过相位检测模块来精确确定原毫米波信号的相位Φ。
对于毫米波的相位检测模块，同样地也是由两个缝隙耦合结构耦合出部分小信号P3和P4，由于缝隙尺寸相同，所以它们的功率大小等于之前测得的耦合小信号P1和P2，它们的初始相位都为Φ，只是其中第二个缝隙耦合信号多传播了相位参考信号Pc(对应电压为Vc)经过Wilkinson功分器分解成左右两路一模一样的信号，左边一路信号与第一个缝隙耦合信号进行功率合成，得到合成功率PL(对应电压为VL)，它是关于相位Φ的三角函数关系；而右边一路信号与第二个缝隙耦合信号进行功率合成，得到合成功率PR(对应电压为VR)，它是关于相位的三角函数关系；
其中P3＝P1、P4＝P2，结合这两个关系式，不仅可以得到相位Φ的大小，还可以得到相位的超前或滞后关系。
最后的毫米波功率检测模块是用直接式的热电式功率检测器来检测原毫米波信号的功率大小的，它主要是由共面波导、两个热电偶和一个隔直电容所构成，其中每个热电偶是由一个金属臂和一个半导体臂串联组成，因为金属臂实际上就是作为该热电式功率检测器的终端电阻，所以这种直接式的热电式功率传感器是一种自加热型功率传感器，它的两个热电偶直接与信号线相连，热电偶的中间区域作为热端，两边边缘区域作为冷端，这样当毫米波信号的能量被金属臂吸收后，根据seebeck效应就能测出热电势，需要注意的是在热电偶的中间区域即热端处会将衬底减薄，这样热能就不会从衬底耗散掉，增大了热端与冷端的温差，从而也提高了热电转换效率。原毫米波信号的功率大小P可以由下式表达：
由于间接式热电式功率检测器输出的是模拟电压，并不是功率大小，因此公式(1)、(2)、(3)中出现的功率P1、P2、P3、P4、PL、PR、PC、PS都需要经过公式(4)将电压V1、V2、V3、V4、VL、VR、VC、VS进行计算才能得到。由于缝隙耦合信号实际上比原信号小得多，因此绝大部分的信号还是能继续传播并被直接式热电式功率传感器接收，信号的利用率大大提高了。
第二个大模块是模数转换部分，它的主要作用是将传感器三个小模块中输出的功率直接转换成数字信号，这个部分主要是由STM32微处理器及由AD620芯片组成的外围电路所构成，则根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，可以反推出相应的频率f、相位Φ和功率P的大小：
然后是MCS51单片机部分，它的主要作用就是对各个电压值进行公式计算得到需要的频率f、相位Φ和功率P的数值。
最后就是液晶显示部分，它的主要作用就是将得到的数字信号直接进行显示输出，得出待测信号的频率f、相位Φ和功率P的读数。
有益效果：在本发明中，为了提高毫米波信号的检测效率，将毫米波信号的频率、相位以及功率实现一体化检测，采取了简单新颖的缝隙耦合结构，这种缝隙耦合结构能够将在共面波导中传播的电磁场能量耦合出小部分，利用这耦合出的小信号来检测原毫米波信号的频率和相位大小，同时由于耦合出的信号能量非常小，因此几乎对原毫米波信号影响不大，原毫米波信号可以继续向后传播进行功率测量。
附图说明
图1为本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器的总框图
图2为本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器中传感器的俯视图
图3为本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器中传感器的单刀双掷开关的俯视图
图4为本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器中传感器的单刀双掷开关AA’方向的剖面图
图5为本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器中传感器的Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的俯视图
图6为本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器中传感器的直接式热电式功率传感器的俯视图
图7为本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器中传感器的直接式热电式功率传感器AA’方向的剖面图
图8为本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器中传感器的直接式热电式功率传感器BB’方向的剖面图
图9为本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器中模数转换的电路图
图中包括：高阻Si衬底1，二氧化硅层2，共面波导3，频率检测模块4，相位检测模块5，功率检测模块6，缝隙耦合结构7-1，缝隙耦合结构7-2，缝隙耦合结构7-3，缝隙耦合结构7-4，移相器8，隔离电阻9，非对称共面带线10，空气桥11，半导体臂12，半导体臂13，欧姆接触14，热端15，冷端16，隔直电容17，输出电极18，隔直电容下极板19，Si3N4介质层20，隔直电容上极板21，衬底膜结构22，一号单刀双掷开关23，二号单刀双掷开关24，开关梁25，锚区26，开关下拉电极板27，第一端口1-1，第二端口1-2，第三端口1-3，第四端口1-4，第五端口1-5，第六端口1-6。
具体实施方案
本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器中传感器部分是基于高阻Si衬底1制作的，它是由共面波导3、一号缝隙耦合结构7-1、二号缝隙耦合结构7-2、三号缝隙耦合结构7-3、四号缝隙耦合结构7-4、移相器8、一号单刀双掷开关23、二号单刀双掷开关24、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及六个直接式热电式功率传感器所构成。
单刀双掷开关23是由共面波导3、锚区26、Si3N4介质层20、开关下拉电极板27和开关梁25组成的，共面波导3连接到锚区26上，锚区26与两条不同支路上的开关梁25相连接，其中一条支路连接直接式热电式功率传感器，另一条支路连接Wilkinson功合器的输入端，开关梁25下方存在着一层空气间隙，在这个空气间隙中安置有开关下拉电极板27，而在开关下拉电极板27上还覆盖着一层Si3N4介质层20。
Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的结构是相同的，主要由共面波导3、非对称共面带线10和电阻9构成，其中两条长度相同的非对称共面带线10能够将共面波导3上的毫米波信号分为相等的两部分，而电阻9位于两条非对称共面带线10的末端。
采用直接式热电式功率传感器来实现热电转换，它主要由共面波导3、金属臂12、P型半导体臂13以及一个隔直电容17构成，其中金属臂12和P型半导体臂13构成的两个热电偶是并联连接的，而共面波导3直接与这两个热电偶的一端相连。
具体结构的连接关系如下：第一端口1-1是信号输入端，一号缝隙耦合结构7-1和二号缝隙耦合结构7-2位于共面波导3上侧地线，三号缝隙耦合结构7-3和四号缝隙耦合结构7-4则位于共面波导3下侧地线，这两对缝隙关于中心信号线对称，它们之间由一个移相器8隔开，首先来看频率检测模块4，一号缝隙耦合结构7-1连接到第二端口1-2，第二端口1-2与一号单刀双掷开关23的输入端相连，一号单刀双掷开关23的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和一号直接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构7-2连接到第三端口1-3，第三端口1-3与二号单刀双掷开关24的输入端相连，二号单刀双掷开关24的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号直接式热电式功率传感器，而一号Wilkinson功合器的输出端连接到三号直接式热电式功率传感器；再看相位检测模块5，三号缝隙耦合结构7-3与第四端口1-4相连，第四端口1-4连接到二号Wilkinson功合器，四号缝隙耦合结构7-4与第五端口1-5相连，第五端口1-5连接到三号Wilkinson功合器，参考信号通过四号Wilkinson功分器的输入端输入，四号Wilkinson功分器的输出端分别连接到二号Wilkinson功合器和三号Wilkinson功合器，然后，二号Wilkinson功合器的输出端连接四号直接式热电式功率传感器，三号Wilkinson功合器的输出端连接五号直接式热电式功率传感器，最后是功率检测模块6，在第六端口1-6处连接着六号直接式热电式功率传感器；在每个直接式热电式功率传感器之后都连接着模数转换模块，然后将这些模数转换得到的数字信号都接入MCS51单片机进行公式计算，最后通过液晶显示屏显示输出频率、相位和功率的数值大小。
本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器中传感器的制备方法为：
1)准备高阻Si衬底1(4000Ω·cm)，厚度为400um；
2)热氧化生长一层SiO2层2，厚度为1.2um；
3)淀积一层多晶硅，P型离子注入(掺杂浓度为1015cm-2)，以达到制作Wilkinson功分器的隔离电阻9和热电偶金属臂12的电阻率要求。
4)利用掩模版对要制作热电偶P型半导体臂13的地方再次进行P型离子注入，达到P型半导体臂13的电阻率要求；
5)涂覆光刻胶，对多晶硅层进行光刻，最终形成隔离电阻9、热电偶的金属臂12和P型半导体臂13；
6)在热电偶的金属臂12和P型半导体臂13连接处制作欧姆接触14；
7)在衬底上涂覆光刻胶，去除传输线、隔直电容17、输出电极18和开关下拉电极板26处的光刻胶，蒸发一层种子层Ti，厚度为然后制备第一层金，厚度为0.3um，通过剥离工艺去除保留的光刻胶，连带去除在光刻胶上面的金属层，初步形成传输线、隔直电容的下极板19、输出电极18和开关下拉电极板处26；
8)在前面步骤处理得到的Si衬底上，通过PECVD生成一层厚的Si3N4介质层，光刻Si3N4介质层，仅保留要制作隔直电容17、空气桥11和开关梁24处的Si3N4介质层20；
9)淀积一层1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满所有凹坑；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留空气桥11和开关梁24下方的聚酰亚胺牺牲层；
10)涂覆光刻胶，去除预备制作传输线、隔直电容17、输出电极18、空气桥11和开关梁24处的光刻胶，蒸发一层种子层Ti，厚度为制备第二层金，厚度为2um，最后，去除保留的光刻胶，形成传输线、隔直电容的上极板21、输出电极18、空气桥11和开关梁24；
11)在衬底的背面涂覆光刻胶，去除预备在衬底背面形成薄膜结构22地方的光刻胶，在热电偶中间区域即热端15下方刻蚀减薄Si衬底，形成衬底膜结构22，保留约为40μm厚的膜结构；
12)释放聚酰亚胺牺牲层，以去除空气桥11和开关梁24下方的聚酰亚胺牺牲层；最后，在去离子水中浸泡5分钟，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。
本发明的不同之处在于：
本发明采用了新颖的缝隙耦合结构，这种缝隙耦合结构能够将在共面波导中传播的电磁场能量耦合出一部分，从而利用这耦合出的部分小信号来检测原毫米波信号的频率和相位大小；功率分配器和功率合成器采用Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的结构来实现功率的平分或合成；至于功率检测器，则采用直接式热电式功率传感器来实现热电转换。这些结构简单有效，降低了制作成本，同时还提高了毫米波信号的检测效率，实现了毫米波信号的频率、相位以及功率实现一体化检测，此外由于耦合出的信号能量和原信号相比非常小，因此几乎对原毫米波信号影响不大，原毫米波信号可以继续向后传播，同时将模拟输出信号经过转换直接输出在液晶屏幕上，构成了一个完整的微波信号检测仪器。
满足以上条件的结构即视为本发明的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器。

Claims (3)

1.一种硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器，该信号检测仪器的传感器部分制作在高阻Si衬底(1)上，是由共面波导(3)、一号缝隙耦合结构(7-1)、二号缝隙耦合结构(7-2)、三号缝隙耦合结构(7-3)、四号缝隙耦合结构(7-4)、移相器(8)、一号单刀双掷开关(23)、二号单刀双掷开关(24)、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及六个直接式热电式功率传感器所构成，具体结构的连接关系如下：第一端口(1-1)是信号输入端，一号缝隙耦合结构(7-1)和二号缝隙耦合结构(7-2)位于共面波导(3)上侧地线，三号缝隙耦合结构(7-3)和四号缝隙耦合结构(7-4)则位于共面波导(3)下侧地线，这两对缝隙关于中心信号线对称，这两对缝隙之间由一个移相器(8)隔开，首先来看频率检测模块(4)，一号缝隙耦合结构(7-1)连接到第二端口(1-2)，第二端口(1-2)与一号单刀双掷开关(23)的输入端相连，一号单刀双掷开关(23)的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和一号直接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构(7-2)连接到第三端口(1-3)，第三端口(1-3)与二号单刀双掷开关(24)的输入端相连，二号单刀双掷开关(24)的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号直接式热电式功率传感器，而一号Wilkinson功合器的输出端连接到三号直接式热电式功率传感器；再看相位检测模块(5)，三号缝隙耦合结构(7-3)与第四端口(1-4)相连，第四端口(1-4)连接到二号Wilkinson功合器，四号缝隙耦合结构(7-4)与第五端口(1-5)相连，第五端口(1-5)连接到三号Wilkinson功合器，参考信号通过四号Wilkinson功分器的输入端输入，四号Wilkinson功分器的输出端分别连接到二号Wilkinson功合器和三号Wilkinson功合器，然后，二号Wilkinson功合器的输出端连接四号直接式热电式功率传感器，三号Wilkinson功合器的输出端连接五号直接式热电式功率传感器，最后是功率检测模块(6)，在第六端口(1-6)处连接着六号直接式热电式功率传感器；在每个直接式热电式功率传感器之后都连接着模数转换模块，然后将这些模数转换得到的数字信号都接入MCS51单片机进行公式计算，最后通过液晶显示屏显示输出频率、相位和功率的数值大小。
2.如权利要求1所述的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器，其特征在于，Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的结构是相同的，主要由共面波导(3)、非对称共面带线(10)和电阻(9)构成，而电阻(9)位于两条非对称共面带线(10)的末端。
3.如权利要求1所述的硅基缝隙耦合式的直接式毫米波信号检测仪器，其特征在于，采用直接式热电式功率传感器来实现热电转换，它主要由共面波导(3)、金属臂(12)、P型半导体臂(13)以及一个隔直电容(17)构成，其中金属臂(12)和P型半导体臂(13)构成的两个热电偶是并联连接的，而共面波导(3)直接与这两个热电偶的一端相连。
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