CN106771602B - 硅基已知频率缝隙耦合式t型结直接式毫米波相位检测器 - Google Patents

硅基已知频率缝隙耦合式t型结直接式毫米波相位检测器 Download PDF

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Abstract

本发明的硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器是由共面波导传输线、缝隙耦合结构、移相器、T型结功分器、T型结功合器以及直接式热电式功率传感器所构成，整个结构基于高阻Si衬底制作，一共有四个缝隙耦合结构，上方的两个缝隙耦合结构连接着两个直接式热电式功率传感器，下方的两个缝隙耦合结构实现信号的相位测量，在前后缝隙之间设置有一个移相器；T型结功分器和T型结功合器是由共面波导传输线、扇形缺陷结构和空气桥所组成；直接式热电式功率传感器主要由共面波导传输线、两个热电偶和一个隔直电容所构成，每个热电偶是由金属臂和半导体臂串联组成，它能够进行自加热并完成热电转换，这些结构成本较低，而且效率也大大提高了。

Description

硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器
技术领域
本发明提出了硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
二十一世纪是电子科学技术与信息科学技术不断发展的时代，在这个时代中，各种各样的电子设备充斥在人们的周围，而这些电子设备都离不开对信号的检测或处理，由此可见，信号的检测是一项当今非常重要的技术。构成信号的三大要素分别为功率、相位和频率，其中对信号的相位检测是一项极为重要的内容，相位检测器在航空航天、军事以及通信领域内都有着巨大的应用价值，因此信号的相位检测技术正日益受到人们的关注。毫米波信号是一种处于微波和远红外波交叠区域内的极高频率的电磁波，由于频带资源的有限，人们正不断开发高频率的资源，而毫米波信号的检测和处理正是人们需要的一项技术，如今的相位检测器不仅结构复杂，而且大多无法达到很高的工作频率，为此需要设计一种新型的毫米波相位检测器来适应这不断发展的时代。
随着对共面波导传输线缝隙耦合结构、T型结功分器、T型结功合器以及直接式热电式功率传感器的深入研究，本发明在高阻Si衬底上设计了一种在已知频率下的毫米波在线相位检测器，它采用了共面波导传输线缝隙耦合结构来实现毫米波的相位检测，实现了相位检测器的高集成性，大大提高了检测效率。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器，本发明采用了共面波导传输线缝隙耦合结构来进行相位检测，在功率分配和功率合成方面则采用了T型结功分器和T型结功合器的结构，在信号的功率测量方面则采用了直接式热电式功率传感器，从而实现了毫米波的在线相位检测。
技术方案：本发明的硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器是由共面波导传输线、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、一个T型结功分器、二个T型结功合器以及四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传输线上侧地线，三号缝隙耦合结构和四号缝隙耦合结构则位于共面波导传输线下侧地线，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，一号缝隙耦合结构连接到第二端口，第二端口与一号直接式热电式功率传感器相连，同样的，二号缝隙耦合结构连接到第三端口，第三端口与二号直接式热电式功率传感器连接；再看相位检测模块，三号缝隙耦合结构与第四端口相连，第四端口连接到一号T型结功合器，四号缝隙耦合结构与第五端口相连，第五端口连接到二号T型结功合器，参考信号通过三号T型结功分器的输入端输入，三号T型结功分器的输出端分别连接到一号T型结功合器和二号T型结功合器，然后，一号T型结功合器的输出端连接三号直接式热电式功率传感器，二号T型结功合器的输出端连接四号直接式热电式功率传感器，第六端口处连接着后续处理电路。
对于相位检测模块，它主要由两个缝隙耦合结构、一段移相器、两个T型结功合器、一个T型结功分器以及两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P3，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P4，由于缝隙尺寸相同，所以P3＝P1、P4＝P2，这两个耦合信号的初始相位都为Φ，并且它们之间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传输线，它的长度设置为以中心频率f0为35GHz处波长的1/4，此时相位差刚好是90°，在不同的频率f下，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，对于已知的频率f，根据函数关系式就能得到相位差的大小。已知频率的参考信号Pc经过T型结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，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，它是关于相位的三角函数关系；
结合这两个关系式，只要测得左右两路合成信号的功率大小，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。
有益效果：在本发明中，采用了共面波导传输线缝隙耦合结构来进行相位检测，这种结构能将小部分的毫米波信号耦合出来，并利用这部分耦合信号来测量相位，而大部分的信号能够继续在共面波导传输线上传播并进行后续信号处理，其中功分器和功合器采用了T型结功分器和T型结功合器结构，功率检测器则采用了直接式热电式功率传感器，大大的提高了信号检测的效率。
附图说明
图1为本发明的硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器的俯视图
图2为本发明的硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器中T型结功分器和T型结功合器的俯视图
图3为本发明的硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器中直接式热电式功率传感器的俯视图
图4为本发明的硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器中直接式热电式功率传感器AA’方向的剖面图
图5为本发明的硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器中直接式热电式功率传感器BB’方向的剖面图
图中包括：相位检测模块1，高阻Si衬底2，SiO2层3，共面波导传输线4，金属臂5，P型半导体臂6，欧姆接触7，热端8，冷端9，隔直电容10，输出电极11，移相器12，缝隙耦合结构13-1，缝隙耦合结构13-2，缝隙耦合结构13-3，缝隙耦合结构13-4，扇形缺陷结构14，空气桥15，隔直电容下极板16，Si3N4介质层17，隔直电容上极板18，衬底膜结构19，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
本发明的硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器是基于高阻Si衬底2制作的，是由共面波导传输线4、一号缝隙耦合结构13-1、二号缝隙耦合结构13-2、三号缝隙耦合结构13-3、四号缝隙耦合结构13-4、移相器12、一个T型结功分器、二个T型结功合器以及四个直接式热电式功率传感器所构成。
T型结功分器和T型结功合器的结构是相同的，主要由共面波导传输线4、两个扇形缺陷结构14和三个空气桥15构成，扇形缺陷结构14是位于两个输入端口处的扇形形状的缺陷地结构，而空气桥15是位于中心信号线上方的梁结构。
采用直接式热电式功率传感器来实现热电转换，它主要由共面波导传输线4、金属臂5、P型半导体臂6以及一个隔直电容10构成，其中金属臂5和P型半导体臂6构成的两个热电偶是并联连接的，而共面波导传输线4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13-1和二号缝隙耦合结构13-2位于共面波导传输线4上侧地线，三号缝隙耦合结构13-3和四号缝隙耦合结构13-4则位于共面波导传输线4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12隔开，一号缝隙耦合结构13-1连接到第二端口1-2，第二端口1-2与一号直接式热电式功率传感器相连，同样的，二号缝隙耦合结构13-2连接到第三端口1-3，第三端口1-3与二号直接式热电式功率传感器连接；再看相位检测模块1，三号缝隙耦合结构13-3与第四端口1-4相连，第四端口1-4连接到一号T型结功合器，四号缝隙耦合结构13-4与第五端口1-5相连，第五端口1-5连接到二号T型结功合器，参考信号通过三号T型结功分器的输入端输入，三号T型结功分器的输出端分别连接到一号T型结功合器和二号T型结功合器，然后，一号T型结功合器的输出端连接三号直接式热电式功率传感器，二号T型结功合器的输出端连接四号直接式热电式功率传感器，第六端口1-6处连接着后续处理电路。
本发明的硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器的制备方法为：
1)准备高阻Si衬底2(4000Ω·cm)，厚度为400um；
2)热氧化生长一层SiO2层3，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)，以达到制作热电偶金属臂5的电阻率要求。
4)利用掩模版2对要制作热电偶P型半导体臂6的地方再次进行P型离子注入，达到P型半导体臂6的电阻率要求；
5)涂覆光刻胶，对多晶硅层进行光刻，最终形成热电偶的金属臂5和P型半导体臂6；
6)在热电偶的金属臂5和P型半导体臂6连接处制作欧姆接触7；
7)在衬底上涂覆光刻胶，去除传输线、隔直电容10和输出电极11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16和输出电极11；
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10和空气桥15位置处的Si3N4介质层17；
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15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10、输出电极11以及空气桥15地方的光刻胶，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18、输出电极11以及空气桥15；
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19地方的光刻胶，在热电偶中间区域即热端8下方刻蚀减薄Si衬底，形成衬底膜结构19，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15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电磁场信号耦合出一部分，由于这部分小信号拥有同样的相位，从而利用这耦合出的部分小信号来检测原毫米波信号的相位大小，实现已知频率下的毫米波相位检测；功率分配器和功率合成器采用T型结功分器和T型结功合器的结构来实现功率的平分或合成；至于对合成信号的检测，则采用直接式热电式功率传感器来实现热电转换。这些结构不仅简化了电路版图，降低了制作成本，而且大大提高了毫米波信号的检测效率，同时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进行后续的电路处理。
满足以上条件的结构即视为本发明的硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器。

Claims (3)

1.一种硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器，其特征在于，该相位检测器制作在高阻Si衬底(2)上，是由共面波导传输线(4)、一号缝隙耦合结构(13-1)、二号缝隙耦合结构(13-2)、三号缝隙耦合结构(13-3)、四号缝隙耦合结构(13-4)、移相器(12)、一个T型结功分器、二个T型结功合器以及四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(13-1)和二号缝隙耦合结构(13-2)位于共面波导传输线(4)上侧地线，三号缝隙耦合结构(13-3)和四号缝隙耦合结构(13-4)则位于共面波导传输线(4)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(12)隔开，一号缝隙耦合结构(13-1)连接到第二端口(1-2)，第二端口(1-2)与一号直接式热电式功率传感器相连，同样的，二号缝隙耦合结构(13-2)连接到第三端口(1-3)，第三端口(1-3)与二号直接式热电式功率传感器连接；再看相位检测模块(1)，三号缝隙耦合结构(13-3)与第四端口(1-4)相连，第四端口(1-4)连接到一号T型结功合器，四号缝隙耦合结构(13-4)与第五端口(1-5)相连，第五端口(1-5)连接到二号T型结功合器，参考信号通过三号T型结功分器的输入端输入，三号T型结功分器的输出端分别连接到一号T型结功合器和二号T型结功合器，然后，一号T型结功合器的输出端连接三号直接式热电式功率传感器，二号T型结功合器的输出端连接四号直接式热电式功率传感器，第六端口(1-6)处连接着后续处理电路。
2.如权利要求1所述的硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器，其特征在于，T型结功分器和T型结功合器的结构是相同的，主要由共面波导传输线(4)、两个扇形缺陷结构(14)和三个空气桥(15)构成，扇形缺陷结构(14)是位于两个输入端口处的扇形形状的缺陷地结构，而空气桥(15)是位于中心信号线上方的梁结构。
3.如权利要求1所述的硅基已知频率缝隙耦合式T型结直接式毫米波相位检测器，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，它主要由共面波导传输线(4)、金属臂(5)、P型半导体臂(6)以及一个隔直电容(10)构成，其中金属臂(5)和P型半导体臂(6)构成的两个热电偶是并联连接的，而共面波导传输线(4)直接与这两个热电偶的一端相连。
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