CN106771604B - 硅基已知频率缝隙耦合式t型结间接式毫米波相位检测器 - Google Patents

硅基已知频率缝隙耦合式t型结间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型结间接式毫米波相位检测器是由共面波导、缝隙耦合结构、移相器、T型结功分器、T型结功合器以及间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，一共设置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间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、扇形缺陷结构和空气桥所组成；间接式热电式功率传感器主要由共面波导、两个终端电阻以及热电堆所构成，热电堆是由两种不同的半导体臂级联组成，它能够将终端电阻所散发的热量转换成热电势，该结构很好的实现了毫米波的在线式相位检测。

Description

硅基已知频率缝隙耦合式T型结间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型结间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
在当今信息科学技术不断发展的时代，对各种信号的探测技术也在不断的发展与完善，毫米波信号是一种介于微波信号和光信号之间的高频率信号，对于毫米波信号的检测技术在军事、航空航天以及通信领域有着非常广泛的潜在应用。其中相位是毫米波信号中三个重要的参数之一(功率、频率和相位)，对相位的检测一直是人们不断研究的课题之一，尤其是在毫米波频段，在这种高频率波段的相位测量一直是人们遇到的难题之一，现有的相位检测器有些虽然能够进行高频率的相位测量，但是它的结构复杂、成本较高，并且无法实现在线式的测量，还有些相位检测器虽然能够实现在线式的测量，但是一般都处于低频段的区域，无法达到毫米波频段，这些问题都制约着相位检测器的发展，需要人们去不断的完善与解决。
针对以上相位检测器遇到的难题，并在共面波导缝隙耦合结构、T型结功分器、T型结功合器以及间接式热电式功率传感器的研究基础上，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，它采用了共面波导缝隙耦合结构来实现毫米波的相位检测，在大大降低相位检测器的复杂程度的同时，还提高了其检测效率。
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型结间接式毫米波相位检测器，本发明采用了共面波导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间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型结间接式毫米波相位检测器主要是由共面波导、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、一个T型结功分器、二个T型结功合器以及四个间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，一号缝隙耦合结构连接到第二端口，第二端口与一号间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，第三端口与二号间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间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间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间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，在毫米波频率已知的情况下，采用了简单新颖的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上传播并进行后续信号处理，其中功分器和功合器采用的T型结功分器和T型结功合器结构，功率检测器则采用了间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型结间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型结间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型结间接式毫米波相位检测器中间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型结间接式毫米波相位检测器中间接式热电式功率传感器的剖面图
图中包括：高阻Si衬底1，二氧化硅层2，相位检测模块3，共面波导4，缝隙耦合结构5-1，缝隙耦合结构5-2，缝隙耦合结构5-3，缝隙耦合结构5-4，移相器6，终端电阻7，热电堆8，半导体臂9，半导体臂10，欧姆接触11，输出电极12，衬底膜结构13，扇形缺陷结构14，空气桥15，热端16，冷端17，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的缝隙耦合式的间接式毫米波在线相位检测器是基于高阻Si衬底1制作的，是由共面波导4、一号缝隙耦合结构5-1、二号缝隙耦合结构5-2、三号缝隙耦合结构5-3、四号缝隙耦合结构5-4、移相器6、一个T型结功分器、二个T型结功合器以及四个间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。
采用间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4、两个电阻7以及热电堆8所构成，而热电堆8又是由P型半导体臂9和N型半导体臂10通过欧姆接触11级联组成，其中共面波导4与两个电阻7相连，而热电堆8与终端电阻7之间有一段间隔。
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5-1和二号缝隙耦合结构5-2位于共面波导4上侧地线，三号缝隙耦合结构5-3和四号缝隙耦合结构5-4则位于共面波导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6隔开，一号缝隙耦合结构5-1连接到第二端口1-2，第二端口1-2与一号间接式热电式功率传感器相连，同样的，二号缝隙耦合结构5-2连接到第三端口1-3，第三端口1-3与二号间接式热电式功率传感器连接；再看相位检测模块3，三号缝隙耦合结构5-3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5-4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间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间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型结间接式毫米波相位检测器的制备方法为：
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)，以达到制作终端电阻7的要求。
4)利用掩模版1对要制作热电堆P型半导体臂9的地方再次进行P型离子注入，达到P型半导体臂9的电阻率要求；
5)利用掩模版2对要制作热电堆N型半导体臂10的地方进行N型离子注入，达到N型半导体臂10的电阻率要求；
6)涂覆光刻胶，对多晶硅层进行光刻，最终形成终端电阻7、热电堆8的P型半导体臂9和N型半导体臂10；
7)在热电堆的P型半导体臂9和N型半导体臂10连接处制作欧姆接触11；
8)在衬底上涂覆光刻胶，去除传输线和输出电极12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，初步形成传输线和输出电极12；
9)在前面步骤处理得到的Si衬底1上，通过PECVD生成一层厚的Si3N4介质层，光刻Si3N4介质层，仅保留空气桥15位置下方的Si3N4介质层；
10)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；
11)涂覆光刻胶，去除预备制作传输线、输出电极12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、输出电极12以及空气桥15；
12)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13地方的光刻胶，在终端负载电阻7和热电堆8热端下方刻蚀减薄Si衬底，形成衬底膜结构13，保留约为40μm厚的膜结构；
13)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相位大小，实现毫米波的在线式检测；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，则采用间接式热电式功率传感器来实现热电转换。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在共面波导上传播并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型结间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型结间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（1）上，是由共面波导（4）、一号缝隙耦合结构（5-1）、二号缝隙耦合结构（5-2）、三号缝隙耦合结构（5-3）、四号缝隙耦合结构（5-4）、移相器（6）、一个T型结功分器、二个T型结功合器以及四个间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（5-1）和二号缝隙耦合结构（5-2）位于共面波导（4）上侧地线，三号缝隙耦合结构（5-3）和四号缝隙耦合结构（5-4）则位于共面波导（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（6）隔开，一号缝隙耦合结构（5-1）连接到第二端口（1-2），第二端口（1-2）与一号间接式热电式功率传感器相连，同样的，二号缝隙耦合结构（5-2）连接到第三端口（1-3），第三端口（1-3）与二号间接式热电式功率传感器连接；再看相位检测模块（3），三号缝隙耦合结构（5-3）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（5-4）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间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间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型结间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（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型结间接式毫米波相位检测器，其特征在于，采用间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（4）、两个电阻（7）以及热电堆（8）所构成，而热电堆（8）又是由P型半导体臂（9）和N型半导体臂（10）通过欧姆接触（11）级联组成，其中共面波导（4）与两个电阻（7）相连，而热电堆（8）与电阻（7）之间有一段间隔。
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