CN106814251B - 硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器 - Google Patents

Abstract

本发明的硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器，实现结构包括悬臂梁耦合结构、功率合成/分配器和直接加热式微波功率传感器。悬臂梁耦合结构左右对称，两个悬臂梁在CPW中央信号线上方，结构相同，用于耦合部分待测信号，通过锚区与功率合成器相连，两个悬臂梁之间CPW传输线的电长度为λ/8。悬臂梁下方的CPW中央信号线上覆盖了一层Si₃N₄介电层，用于防止电学短路。参考信号通过功率分配器分成两路信号，分别与两路悬臂梁耦合的信号通过功率合成器合成，功率合成器的输出端连接到直接加热式微波功率传感器进行功率检测。最后根据两个直接加热式微波功率传感器得到待测信号的相位信息。

Description

硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器

技术领域

本发明提出了一种硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线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

在微波技术领域，相位是表征微波信号的一个重要的参数，微波信号相位检测系统在相位调制器、相移键控(PSK)、微波定位、天线相位方向图的测试和近场诊断等方面都有着极其广泛的应用。微波信号相位检测的方法主要有两种：信号分解法和矢量合成法。矢量合成法同信号分解法相比，具有结构原理简单、工作频带宽、无源检测等优点，同时易通过已经成熟的MEMS工艺实现，实现微波信号检测系统的小型化和集成化。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提供一种硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器，通过悬臂梁耦合结构耦合部分待测信号，直接式微波功率传感器检测微波功率大小，实现了毫米波相位的在线测试，具有结构简单的优点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了一种硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器，该相位检测器的实现结构选择高阻Si为衬底，传输线材料为Au，主要由悬臂梁耦合结构、功率合成/分配器和直接加热式微波功率传感器构成；悬臂梁耦合结构左右对称，由CPW中央信号线、传输线地线、悬臂梁、悬臂梁锚区构成，在悬臂梁的下方有一层Si₃N₄介电层；悬臂梁耦合结构的第三端口和第四端口分别与第一功率合成器的第八端口和第十一端口相连，待测信号从功率分配器的第五端口输入，功率分配器的第六端口和第一功率合成器的第九端口相连，第七端口与第二功率合成器的第十二端口相连，第一功率合成器的第十端口接第一直接加热式微波功率传感器，第二功率合成器的第十三端口接第二直接加热式微波功率传感器。

功率分配/合成器由CPW中央信号线、传输线地线、ACPS信号线、MIM电容和隔离电阻构成。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/8，隔离电阻的阻值为100Ω；MIM电容横跨于两个地线之间，位于CPW中央信号线上方，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。

直接加热式微波功率传感器由CPW中央信号线、传输线地线、MIM电容、终端电阻、输出Pad构成，用于检测毫米波信号的功率大小，终端电阻设计为CPW传输线的匹配负载，同时作为热电偶的半导体臂，MIM电容作为隔直电容，起到阻断直流通路和微波通路的作用，在终端电阻热端下方的Si衬底被刻蚀，用于增大传感器的灵敏度，为了提高冷热端的温差，终端电阻设计为梯形。

待测毫米波信号从悬臂梁耦合结构的第一端口输入，从第二端口输出；两个悬臂梁耦合的信号幅度相等，相位相差45度，分别同参考信号等分后的两路信号合成，通过检测两路合成信号的功率大小，联立方程可以求解待测毫米波信号的相位，可实现整个周期范围内相位角的测量。

有益效果：本发明相对于现有的相位检测器具有以下优点：

1.本发明的相位检测器采用悬臂梁耦合方式，能够实现在线式的相位检测，待测信号经过检测后可以继续输出到下一级使用；

2.本发明的相位检测器原理和结构简单，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.本发明的相位检测由于采用直接加热式微波功率传感器实现耦合功率测量，灵敏度较大。

4.兼容COMS工艺线，适合批量生产，成本低、可靠性高。

附图说明

图1为本发明的硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器的实现结构示意图；

图2为本发明悬臂梁耦合结构的A-A’向的剖面图；

图3为本发明功率分配/合成器的俯视图；

图4为本发明直接加热式微波功率传感器的俯视图；

图5为本发明直接加热式微波功率传感器的B-B’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，Si₃N₄介电层11，输出Pad12，悬臂梁耦合结构13，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2-1，第六端口2-2，第七端口2-3，第八端口3-1，第九端口3-2，第十端口3-3，第十一端口4-1，第十二端口4-2，第十三端口4-3。

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1-5，本发明提出了一种硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器。实现结构主要包括：悬臂梁耦合结构13、功率合成/分配器、直接加热式微波功率传感器。其中，悬臂梁耦合结构13用于耦合待测信号的部分功率，用于相位检测；功率合成器用于两路信号的合成，功率分配器用于将一路信号等分成两路信号，两者具有相同的结构；直接加热式微波功率传感器用于检测毫米波信号的功率，原理是基于焦耳效应和赛贝克效应。

悬臂梁耦合结构13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。两个悬臂梁5悬于CPW中央信号线3上方，中间隔有Si₃N₄介电层11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。两个悬臂梁之间的CPW传输线电长度在所测信号频率范围内的中心频率35GHz为λ/8。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/8，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。

直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、MIM电容8、终端电阻10、输出Pad12构成，用于检测毫米波信号的功率大小，终端电阻10设计为CPW传输线的匹配负载，同时作为热电偶的半导体臂，MIM电容8作为隔直电容，起到阻断直流通路和微波通路的作用，在终端电阻10热端下方的Si衬底被刻蚀，用于增大传感器的灵敏度，为了提高冷热端的温差，终端电阻10设计为梯形。

当从第一端口1-1输入一定功率的毫米波信号时，待测信号经过CPW传输线，由第二端口1-2进入下一级。位于CPW中央信号线3上方的悬臂梁5会耦合部分毫米波信号，并输入到功率合成器，与功率等分后的参考信号进行合成，合成信号的功率大小由直接加热式微波功率传感器进行检测。由于两个悬臂梁5结构完全相同，且间隔的CPW传输线电长度在所测信号频率范围内的中心频率35GHz为λ/8，两路耦合信号可分别表示为：

其中a₁和a₂分别为两路耦合信号的幅度，ω为输入信号的角频率，为初始相位。

功率等分后的参考信号可以表示为：

v₃＝a₃cos(ωt+φ) (3)

由于参考信号已知，所以a₂、φ已知。合成信号的功率大小分别为：

P₁和P₂的大小由终端的微波功率传感器进行检测，因为(4)和(5)式中只存在a₁和两个未知量，所以可以根据(4)和(5)联立方程组求得这两个未知量，即可由直接加热式微波功率传感器的输出热电势可以得到待测毫米波信号的相位，并可实现整个周期范围内相位角的测量。

本发明的硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器的实现结构的制备方法如下：

1)准备4英寸高阻Si衬底1，电阻率为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，形成隔离电阻9和终端电阻10；

5)涂覆一层光刻胶，光刻多晶硅电阻图形，再通过干法刻蚀形成隔离电阻9和终端电阻10；

6)涂覆一层光刻胶，光刻去除传输线和输出Pad12处的光刻胶；

7)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以及输出Pad12；

8)LPCVD淀积一层Si₃N₄，厚度为0.1μm；

9)涂覆一层光刻胶，光刻并保留MIM电容8和悬臂梁5下方的光刻胶，干法刻蚀Si₃N₄，形成Si₃N₄介电层11；

10)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；

11)涂覆光刻胶，光刻去除悬臂梁5、悬臂梁锚区6、传输线、MIM电容8、输出Pad12位置的光刻胶；

12)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；

13)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、MIM电容8和输出Pad12；

14)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；

15)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：

本发明的硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器，结构的衬底为高阻Si。待测毫米波信号由第一端口1-1输入，从第二端口1-2输出，位于CPW中央信号线3上方的两个悬臂梁5耦合部分待测毫米波信号进行相位检测，两个悬臂梁5之间CPW传输线的电长度在所测信号频率范围内的中心频率35GHz处为λ/8，通过锚区和CPW传输线连接到功率合成器，两路耦合信号分别与等分后的参考信号通过功率合成器进行合成，参考信号由功率分配器进行等分，合成后的毫米波功率大小由直接加热式微波功率传感器检测。根据两个直接加热式微波功率传感器的热电势输出，可以求得待测信号的相位。

满足以上条件的结构即视为本发明的硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器。

Claims (3)

1.一种硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器，其特征是：该相位检测器的实现结构选择高阻Si为衬底，传输线材料为Au，主要由悬臂梁耦合结构(13)、功率合成/分配器和直接加热式微波功率传感器构成；悬臂梁耦合结构(13)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，在悬臂梁(5)的下方有一层Si₃N₄介电层(11)；悬臂梁耦合结构(13)的第三端口(1-3)和第四端口(1-4)分别与第一功率合成器的第八端口(3-1)和第二功率合成器的第十一端口(4-1)相连，参考信号从功率分配器的第五端口(2-1)输入，功率分配器的第六端口(2-2)和第一功率合成器的第九端口(3-2)相连，第七端口(2-3)与第二功率合成器的第十二端口(4-2)相连，第一功率合成器的第十端口(3-3)接第一直接加热式微波功率传感器，第二功率合成器的第十三端口(4-3)接第二直接加热式微波功率传感器。

2.根据权利要求1所述的硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器，其特征是：功率合成/分配器由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/8，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；CPW传输线和ACPS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。

3.根据权利要求1所述的硅基微机械悬臂梁耦合直接加热在线式毫米波相位检测器，其特征是：直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)、MIM电容(8)、终端电阻(10)、输出Pad(12)构成，用于检测毫米波信号的功率大小，终端电阻(10)设计为CPW传输线的匹配负载，同时作为热电偶的半导体臂，MIM电容(8)作为隔直电容，起到阻断直流通路和微波通路的作用，在终端电阻(10)热端下方的Si衬底被刻蚀，用于增大传感器的灵敏度，为了提高冷热端的温差，终端电阻(10)设计为梯形。