CN106802369B - 硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器 - Google Patents

硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器 Download PDF

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Abstract

本发明的硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器是由传感器、模数转换和液晶显示三大模块组成，传感器模块是由悬臂梁耦合结构、功率分配/合成器、间接加热式微波功率传感器和开关构成，衬底材料为高阻Si，功率通过输入端口对应的CPW信号线终端的间接加热式微波功率传感器进行检测；频率检测通过利用间接加热式微波功率传感器测量两路在中心频率处相位差为90度的耦合信号的合成功率实现；相位检测通过将两路在中心频率处相位差为90度的耦合信号，分别同两路等分后的参考信号合成，同样利用间接加热式微波功率传感器检测合成功率，从而获得待测信号的相位。模数转换由MCS51单片机实现，液晶显示部分由三块液晶显示屏构成。

Description

硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器
技术领域
本发明提出了一种硅基悬臂梁耦合间接加热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
毫米波属于较高频段的微波，在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学、临床医学和波谱学方面都有重大的意义。作为微波信号的三大基本参数，功率、频率和相位的检测在毫米波系统中扮演者重要角色。基于不断发展和成熟的MEMS技术，很多电子元件和机械元件都成功实现了小型化，同时性能上也不亚于传统元件，对于微波信号检测器也不例外。然而，目前现有的微波信号检测器，包括功率检测器、频率检测器和相位检测器，都是相对独立的器件，而在微波系统中需要同时测量功率、相位和频率的场合，独立器件所占的电路尺寸较大，同时存在着电磁兼容问题，所以研究毫米波信号集成检测系统成为未来发展的趋势。同时，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，具有较高的实际应用价值。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器，传感器部分实现毫米波信号的功率、频率和相位的测量，由单片机实现数模转换，最后显示在显示屏上，该仪器具有多功能和结构简单的优点。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了一种硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器，该信号检测仪器包括传感器、单片机和液晶显示屏三个部分；传感器由悬臂梁耦合结构、功率合成器/分配器、间接加热式微波功率传感器和开关构成；其中，悬臂梁耦合结构上下、左右对称，由CPW中央信号线、传输线地线、悬臂梁、悬臂梁锚区构成，悬臂梁置于CPW中央信号线的上方，在悬臂梁的下方有一层Si3N4介电层覆盖中央信号线；待测信号由悬臂梁耦合结构的第一端口输入，第二端口接第一间接加热式微波功率传感器；上方两个悬臂梁耦合的信号由第三端口和第四端口输出，第三端口与第一开关的第七端口相连，第四端口与第二开关的第十端口相连，第一开关的第八端口与第二间接加热式微波功率传感器相连，第九端口与第一功率合成器的第十三端口相连，第二开关的第十一端口与第三间接加热式微波功率传感器相连，第十二端口与第一功率合成器的第十四端口相连，最后，第一功率合成器的第十五端口接第四间接加热式微波功率传感器；下方两个悬臂梁耦合的信号由第五端口和第六端口输出，第五端口与第二功率合成器的第十九端口相连，第六端口与第三功率合成器的第二十二端口相连，待测信号从功率分配器的第十六端口输入，功率分配器的第十七端口与第二功率合成器的第二十端口相连，第十八端口与第三功率合成器的第二十三端口相连，第二功率合成器的第二十一端口接第五间接加热式微波功率传感器，第三功率合成器的第二十四端口接第六间接加热式微波功率传感器；所有微波功率传感器的输出端都连接到MCS51 单片机。
间接加热式微波功率传感器由CPW中央信号线、传输线地线、终端电阻、P型半导体臂、N型半导体臂、热电堆金属互连线、输出Pad构成，用于检测微波信号的功率大小，在终端电阻和热电堆热端下方的Si衬底被刻蚀，用于增大传感器的灵敏度。
数模转换是将传感器输出的功率直接转换成数字信号，这个部分主要是由MCS51单片机实现。液晶显示部分是将模数转换部分所得到的数字信号直接进行显示输出，得出待测信号的频率、相位和功率的读数。
有益效果：
本发明相对于现有的信号检测仪器具有以下优点：
1.本发明的信号检测仪器集成了功率检测、相位检测和频率检测三种功能；
2.本发明的信号检测仪器原理和结构简单，版图面积较小，全部由无源器件组成因而不存在直流功耗；
3.兼容COMS工艺，适合批量生产，成本低、可靠性高。
4.实现了功率、相位和频率的数值显示，具有较高的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明的硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器的总框图；
图2为本发明硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器中的传感器的示意图；
图3为本发明悬臂梁耦合结构的A-A’向的剖面图；
图4为本发明功率分配/合成器的俯视图；
图5为本发明间接加热式微波功率传感器的俯视图；
图6为本发明间接加热式微波功率传感器的B-B’向的剖面图；
图7为本发明开关的俯视图；
图8为本发明开关C-C’向的剖面图；
图中包括：高阻Si衬底1，SiO2层2，CPW中央信号线3，传输线地线4，悬臂梁 5，悬臂梁锚区6，ACPS信号线7，MIM电容8，隔离电阻9，终端电阻10，P型半导体臂11，N型半导体臂12，热电堆金属互连线13，输出Pad14，Si3N4介电层15，下拉电极16，悬臂梁耦合结构17，第一开关18，第二开关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，第七端口2-1，第八端口2-2，第九端口2-3，第十端口3-1，第十一端口3-2，第十二端口3-3，第十三端口4-1，第十四端口4-2，第十五端口4-3，第十六端口5-1，第十七端口5-2，第十八端口5-3，第十九端口6-1，第二十端口6-2，第二十一端口6-3，第二十二端口7-1，第二十三端口7-2，第二十四端口7-3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
参见图1-8，本发明提出了一种硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器，主要是由传感器、模数转换和液晶显示三个大模块组成，如图1所示，这三个大模块又由一些基础的小模块和电路构成。
其中，传感器模块主要包括悬臂梁耦合结构17、功率分配/合成器、间接加热式微波功率传感器和开光。
悬臂梁耦合结构17由CPW中央信号线3、传输线地线4、悬臂梁5、悬臂梁锚区6 构成。两组悬臂梁5悬于CPW中央信号线3上方，中间隔有Si3N4介电层15和空气，等效一个双介质层的MIM电容，悬臂梁5末端通过悬臂梁锚区6同耦合分支的CPW中央信号线3相连，每组悬臂梁5包括两个对称设计的悬臂梁5，两组悬臂梁5之间的CPW传输线电长度在所测信号频率范围内的中心频率35GHz处为λ/4。通过调整悬臂梁5附近的传输线地线4的形状，改变CPW传输线的阻抗，用于补偿悬臂梁5的引入带来的电容变化。
功率分配/合成器由CPW中央信号线3、传输线地线4、ACPS信号线7、MIM电容8 和隔离电阻9构成。CPW传输线的特征阻抗为50Ω，ACPS传输线的特征阻抗为70.7Ω，电长度为λ/4，隔离电阻的阻值为100Ω。MIM电容8横跨于两个地线之间，位于CPW中央信号线3上方，介电层为一层Si3N4。传输线采用弯折结构，同时在拐角处进行了补偿，用于减小版图面积。
间接加热式微波功率传感器由CPW中央信号线3、传输线地线4、终端电阻10、P 型半导体臂11、N型半导体臂12、热电堆金属互连线13、输出Pad14构成，用于检测毫米波信号的功率大小，在终端电阻10和热电堆热端下方的Si衬底被刻蚀，用于增大传感器的灵敏度。
开关由CPW中央信号线3、传输线地线4、悬臂梁5、悬臂梁锚区6和下拉电极16 构成，下拉电极16上覆盖有一层Si3N4介电层15，未施加直流电压时，两个支路处于断开状态，通过在下拉电极16上施加一定的直流偏置，可实现对应支路的导通，进一步实现耦合功率检测和频率检测两种状态的转换。
毫米波功率检测模块是由第二端口1-2相连的第一间接加热式微波功率传感器来检测原毫米波信号的功率大小的，原毫米波信号的功率大小P可以由下式表达：
P＝kVout (1)
其中k为间接式微波功率传感器的灵敏度，Vout为功率传感器的输出热电势。
进行毫米波频率检测时，毫米波信号首先经过第一组悬臂梁5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CPW传输线后再由另一组悬臂梁5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(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，然后再通过功率合成器进行功率合成，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，同样地也是由两个悬臂梁5耦合结构耦合出部分小信号P3和P4，由于悬臂梁5结构相同，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，在经过一段CPW传输线之后，第二个悬臂梁5耦合的信号与第一个悬臂梁5耦合的信号之间有了相位差从附图中图2可以看到，参考信号Pc(对应电压为Vc)经过功率分配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悬臂梁5耦合的信号进行功率合成，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悬臂梁5耦合的信号进行功率合成，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，实现了-180°～+180°的相位检测。
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(2)、 (3)、(4)中出现的功率P1、P2、P3、P4、PL、PR、PC、PS都需要经过公式(1)将电压V1、V2、V3、V4、VL、VR、VC、VS进行计算才能得到。
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，如附图2 所示，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：
最后就是液晶显示部分，它的主要作用就是将模数转换部分所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。
本发明的硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器的传感器的制备方法如下：
1)准备4英寸高阻Si衬底1，电导率为4000Ωcm，厚度为400μm；
2)热生长一层SiO2层2，厚度为1.2μm；
3)化学气相淀积(CVD)生长一层多晶硅，厚度为0.4μm；
4)涂覆一层光刻胶并光刻，除多晶硅电阻区域暴露以外，其他区域被光刻胶保护，接着注入磷(P)离子，掺杂浓度为1015cm-2，形成终端电阻9；
5)涂覆一层光刻胶，用P+光刻板进行光刻，除P型半导体臂区域暴露以外，其他区域被光刻胶保护，接着注入硼(B)离子，掺杂浓度为1016cm-2，形成热电偶的 P型半导体臂10；
6)涂覆一层光刻胶，用N+光刻板进行光刻，除N型半导体臂区域暴露以外，其他区域被光刻胶保护，接着注入磷(P)离子，掺杂浓度为1016cm-2，形成热电偶的N型半导体臂11；
7)涂覆一层光刻胶，光刻热电堆臂和多晶硅电阻图形，再通过干法刻蚀形成热电偶臂和多晶硅电阻；
8)涂覆一层光刻胶，光刻去除传输线、热电堆金属互连线12、下拉电极14以及输出Pad13处的光刻胶；
9)电子束蒸发形成第一层金(Au)，厚度为0.3μm，去除光刻胶以及光刻胶上的Au，剥离形成传输线的第一层Au、热电堆金属互连线12、下拉电极14以及输出Pad13；
10)LPCVD淀积一层Si3N4，厚度为0.1μm；
11)涂覆一层光刻胶，光刻并保留悬臂梁5下方的光刻胶，干法刻蚀Si3N4，形成Si3N4介电层15；
12)均匀涂覆一层聚酰亚胺并光刻图形，厚度为2μm，保留悬臂梁5下方的聚酰亚胺作为牺牲层；
13)涂覆光刻胶，光刻去除悬臂梁5、悬臂梁锚区6、传输线以及输出Pad13位置的光刻胶；
14)蒸发500/1500/300A°的Ti/Au/Ti的种子层，去除顶部的Ti层后再电镀一层厚度为2μm的Au层；
15)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成悬臂梁5、悬臂梁锚区6、传输线和输出Pad13；
16)深反应离子刻蚀(DRIE)衬底材料背面，制作热电堆下方的薄膜结构；
17)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除悬臂梁5下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。
区分是否为该结构的标准如下：
本发明的硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器，传感器的衬底材料为高阻Si。待测毫米波信号由第一端口1-1输入，位于CPW中央信号线3上方的两组悬臂梁 5耦合部分待测毫米波信号，每组悬臂梁5包括两个对称设计的悬臂梁5，两个悬臂梁5 耦合的功率相等，其中一个悬臂梁5的耦合信号用于耦合功率和频率检测，两种状态转换通过开关实现，另一个悬臂梁5的耦合信号用于相位检测；首先通过开关使得耦合信号直接输入到间接加热式微波功率传感器检测耦合功率大小，接着通过开关使得两路在所测信号频率范围内的中心频率35GHz处相位差为90度的耦合信号进行合成并由间接加热式微波功率传感器检测合成功率，从而推算出待测信号的频率；相位检测时，将两路在所测信号频率范围内的中心频率35GHz处相位差为90度的耦合信号，分别同两路等分后的参考信号合成，同样利用间接加热式微波功率传感器检测合成功率，从而获得待测信号的相位。此外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悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器。

Claims (2)

1.一种硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器，其特征是：该信号检测仪器包括传感器、单片机和液晶显示屏三个部分；传感器由悬臂梁耦合结构（17）、功率合成器/分配器、间接加热式微波功率传感器和开关构成；其中，悬臂梁耦合结构（17）上下、左右对称，由CPW中央信号线（3）、传输线地线（4）、悬臂梁（5）、悬臂梁锚区（6）构成，悬臂梁（5）置于CPW中央信号线（3）的上方，在悬臂梁（5）的下方有一层Si3N4介电层（15）覆盖CPW中央信号线（3）；待测信号由悬臂梁耦合结构（17）的第一端口（1-1）输入，第二端口（1-2）接第一间接加热式微波功率传感器；上方两个悬臂梁（5）耦合的信号由第三端口（1-3）和第四端口（1-4）输出，第三端口（1-3）与第一开关（18）的第七端口（2-1）相连，第四端口（1-4）与第二开关（19）的第十端口（3-1）相连，第一开关（18）的第八端口（2-2）与第二间接加热式微波功率传感器相连，第一开关（18）的第九端口（2-3）与第一功率合成器的第十三端口（4-1）相连，第二开关（19）的第十一端口（3-2）与第三间接加热式微波功率传感器相连，第二开关（19）的第十二端口（3-3）与第一功率合成器的第十四端口（4-2）相连，最后，第一功率合成器的第十五端口（4-3）接第四间接加热式微波功率传感器；下方两个悬臂梁（5）耦合的信号由第五端口（1-5）和第六端口（1-6）输出，第五端口（1-5）与第二功率合成器的第十九端口（6-1）相连，第六端口（1-6）与第三功率合成器的第二十二端口（7-1）相连，参考信号从功率分配器的第十六端口（5-1）输入，功率分配器的第十七端口（5-2）与第二功率合成器的第二十端口（6-2）相连，第十八端口（5-3）与第三功率合成器的第二十三端口（7-2）相连，第二功率合成器的第二十一端口（6-3）接第五间接加热式微波功率传感器，第三功率合成器的第二十四端口（7-3）接第六间接加热式微波功率传感器；所有微波功率传感器的输出端都连接到MCS51单片机。
2.根据权利要求1所述的一种硅基悬臂梁耦合间接加热式毫米波信号检测仪器，其特征是：间接加热式微波功率传感器由CPW中央信号线（3）、传输线地线（4）、终端电阻（9）、P型半导体臂(10)、N型半导体臂(11)、热电堆金属互连线((12)、输出Pad(13)构成，用于检测微波信号的功率大小，在终端电阻(9)和热电堆热端下方的Si衬底被刻蚀，用于增大传感器的灵敏度。
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