CN106771605B - 硅基未知频率缝隙耦合式t型结间接式毫米波相位检测器 - Google Patents

硅基未知频率缝隙耦合式t型结间接式毫米波相位检测器 Download PDF

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Abstract

本发明的硅基未知频率缝隙耦合式T型结间接式毫米波相位检测器是由共面波导传输线传输线、缝隙耦合结构、移相器、单刀双掷开关、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，其上有四个缝隙耦合结构，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，在前后缝隙之间有一个移相器；T型结功分器和T型结功合器是由共面波导传输线传输线、扇形缺陷结构和空气桥所组成；间接式热电式功率传感器由共面波导传输线传输线、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吸收的信号转换成热电势，这种结构大大提高了检测效率。

Description

硅基未知频率缝隙耦合式T型结间接式毫米波相位检测器
技术领域
本发明提出了硅基未知频率缝隙耦合式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
当今时代是信息技术高速发展的时代，信号的检测与处理一直是人们研究的课题，起初人们只是对低频段的信号进行研究与处理，随着科学技术的不断发展，人们对高频段的信号也越发研究的透彻，毫米波信号就是一种位于微波信号与光信号之间的高频率的信号，它主要有三大参数：频率、相位和功率，如今，对毫米波信号三大参数的测量也日益成为通信领域、航空航天领域等的重要内容。其中，毫米波的相位检测一直是信号检测中的重要部分，然而在未知频率下的相位检测也是一大难题，现有的相位检测器有的无法测量未知频率下的相位，有的虽然能够测量却也有诸如结构复杂、体积较大等问题，这些相位检测器的检测效率都偏低，已经跟不上信息时代飞速发展的步伐。
针对现有的毫米波相位检测器的问题，并在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未知频率下的毫米波在线相位检测器，这种相位检测器能够将实现频率和相位的一体化测量，不仅使得该相位检测器的体积大大减小、成本大大降低，而且提高了检测效率。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种硅基未知频率缝隙耦合式T型结间接式毫米波相位检测器，为了能够实现未知频率下的毫米波相位测量，本发明设计了两组缝隙耦合结构，一组耦合结构用来测量其频率大小，另一组耦合结构用以测量其相位大小，在功率分配和功率合成方面则采用了T型结功分器和T型结功合器结构，在功率检测方面采用了间接式热电式功率传感器，这些结构可以较好的集成在一起。
技术方案：本发明的硅基未知频率缝隙耦合式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、一号单刀双掷开关、二号单刀双掷开关、一个T型结功分器、三个T型结功合器以及五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，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T型结功合器和一号间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T型结功合器和二号间接式热电式功率传感器，而一号T型结功合器的输出端连接到三号间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，第五端口连接到三号T型结功合器，参考信号通过四号T型结功分器的输入端输入，四号T型结功分器的输出端分别连接到二号T型结功合器和三号T型结功合器，然后，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，三号T型结功合器的输出端连接五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。
首先，对于毫米波的频率检测模块，它主要是由两个缝隙耦合结构、一段移相器、两个单刀双掷开关、一个T型结功合器以及一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P1，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，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传输线传输线，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经过T型结功合器进行合成，再用间接式热电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T型结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，在经过移相器之后，第二个缝隙耦合信号与第一个缝隙耦合信号之间有了相位差参考信号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；
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，实现了-180°～+180°的相位检测。
有益效果：在本发明中，采用了简单新颖的缝隙耦合结构，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实现频率和相位的检测，而大部分的信号能够继续在共面波导传输线传输线上传播，其中功率分配和功率合成采用的是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，这些结构能非常有效的集成在一起，完美实现了未知频率下的毫米波相位检测。
附图说明
图1为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式T型结间接式毫米波相位检测器的俯视图
图2为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式T型结间接式毫米波相位检测器中单刀双掷开关的俯视图
图3为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式T型结间接式毫米波相位检测器中单刀双掷开关AA’方向的剖面图
图4为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式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5为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式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6为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式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：频率检测模块1，相位检测模块2，高阻Si衬底3，二氧化硅层4，共面波导传输线传输线5，移相器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，终端电阻8，热电堆9，P型半导体臂10，N型半导体臂11，欧姆接触12，输出电极13，扇形缺陷结构14，空气桥15，衬底膜结构16，热端17，冷端18，一号单刀双掷开关19，二号单刀双掷开关20，开关梁21，锚区22，Si3N4介质层23，开关下拉电极板24，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
本发明的硅基未知频率缝隙耦合式T型结间接式毫米波相位检测器是基于高阻Si衬底3制作的，是由共面波导传输线5、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6、一号单刀双掷开关19、二号单刀双掷开关20、一个T型结功分器、三个T型结功合器以及五个间接式热电式功率传感器所构成。
单刀双掷开关19是由共面波导传输线5、锚区22、Si3N4介质层23、开关下拉电极板24和开关梁21组成的，共面波导传输线5连接到锚区22上，锚区22与两条不同支路上的开关梁21相连接，其中一条支路连接间接式热电式功率传感器，另一条支路连接T型结功合器的输入端，开关梁21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24，而在开关下拉电极板24上还覆盖着一层Si3N4介质层23。
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5、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，它主要由共面波导传输线5、两个电阻8以及热电堆9所构成，而热电堆9又是由P型半导体臂10和N型半导体臂11通过欧姆接触12级联组成，其中共面波导传输线5与两个电阻8相连，而热电堆9与终端电阻8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7-1和二号缝隙耦合结构7-2位于共面波导传输线5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则位于共面波导传输线5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，首先来看频率检测模块1，一号缝隙耦合结构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19的输入端相连，一号单刀双掷开关19的输出端分别连接到一号T型结功合器和一号间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20的输入端相连，二号单刀双掷开关20的输出端分别连接到一号T型结功合器和二号间接式热电式功率传感器，而一号T型结功合器的输出端连接到三号间接式热电式功率传感器；再看相位检测模块2，三号缝隙耦合结构7-3与第四端口1-4相连，第四端口1-4连接到二号T型结功合器，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T型结功合器，参考信号通过四号T型结功分器的输入端输入，四号T型结功分器的输出端分别连接到二号T型结功合器和三号T型结功合器，然后，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，三号T型结功合器的输出端连接五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。
本发明的硅基未知频率缝隙耦合式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3(4000Ω·cm)，厚度为400um；
2)热氧化生长一层SiO2层4，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8的要求。
4)利用掩模版1对要制作热电堆P型半导体臂10的地方再次进行P型离子注入，达到P型半导体臂10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11的地方进行N型离子注入，达到N型半导体臂11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8和热电堆9的P型半导体臂10和N型半导体臂11；
7)在热电堆的P型半导体臂10和N型半导体臂11连接处制作欧姆接触12；
8)在衬底上涂覆光刻胶，去除传输线、输出电极13处和开关下拉电极板23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、输出电极13和开关下拉电极板24；
9)在前面步骤处理得到的Si衬底3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和开关梁21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和开关梁21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13、空气桥15和开关梁20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、输出电极13、空气桥15和开关梁21；
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16地方的光刻胶，在终端负载电阻8和热电堆9热端下方刻蚀减薄Si衬底，形成衬底膜结构16，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和开关梁21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传输线传输线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，从而实现了未知频率下的毫米波相位检测；功率分配器和功率合成器则采用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。由于缝隙耦合信号的能量非常小，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，这样就实现了未知频率下的毫米波在线相位测量。
满足以上条件的结构即视为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式T型结间接式毫米波相位检测器。

Claims (4)

1.一种硅基未知频率缝隙耦合式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(3)上，是由共面波导传输线(5)、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(6)、一号单刀双掷开关(19)、二号单刀双掷开关(20)、一个T型结功分器、三个T型结功合器以及五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(7-1)和二号缝隙耦合结构(7-2)位于共面波导传输线(5)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)则位于共面波导传输线(5)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，首先来看频率检测模块(1)，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(19)的输入端相连，一号单刀双掷开关(19)的输出端分别连接到一号T型结功合器和一号间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(20)的输入端相连，二号单刀双掷开关(20)的输出端分别连接到一号T型结功合器和二号间接式热电式功率传感器，而一号T型结功合器的输出端连接到三号间接式热电式功率传感器；再看相位检测模块(2)，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T型结功合器，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T型结功合器，参考信号通过四号T型结功分器的输入端输入，四号T型结功分器的输出端分别连接到二号T型结功合器和三号T型结功合器，然后，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，三号T型结功合器的输出端连接五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所述的硅基未知频率缝隙耦合式T型结间接式毫米波相位检测器，其特征在于，一号单刀双掷开关(19)和二号单刀双掷开关(20)是由共面波导传输线(5)、锚区(22)、Si3N4介质层(23)、开关下拉电极板(24)和开关梁(21)组成的，共面波导传输线(5)连接到锚区(22)上，锚区(22)与两条不同支路上的开关梁(21)相连接，其中一条支路连接间接式热电式功率传感器，另一条支路连接T型结功合器的输入端，开关梁(21)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(24)，而在开关下拉电极板(24)上还覆盖着一层Si3N4介质层(23)。
3.如权利要求1所述的硅基未知频率缝隙耦合式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，主要由共面波导传输线(5)、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。
4.如权利要求1所述的硅基未知频率缝隙耦合式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，它主要由共面波导传输线(5)、两个电阻(8)以及热电堆(9)所构成，而热电堆(9)又是由P型半导体臂(10)和N型半导体臂(11)通过欧姆接触(12)级联组成，其中共面波导传输线(5)与两个电阻(8)相连，而热电堆(9)与电阻(8)之间有一段间隔。
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