CN106841772B - 硅基缝隙耦合式t型结的间接式毫米波信号检测仪器 - Google Patents

硅基缝隙耦合式t型结的间接式毫米波信号检测仪器 Download PDF

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Abstract

本发明的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器是由传感器、模数转换、MCS51单片机和液晶显示四大模块组成，传感器是由共面波导传输线、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，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；T型结功分器和T型结功合器主要是由共面波导传输线、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、终端电阻以及热电堆所构成。模数转换部分由STM32和AD620外围电路构成，MCS51单片机用于公式计算，液晶显示部分由一块液晶显示屏构成。

Description

硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器
技术领域
本发明提出了硅基缝隙耦合式T型结的间接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
随着信息科学技术的不断发展，信号的检测尤其是微波等高频率信号的颊侧技术显得越来越重要，为了适应当今这个信息时代，毫米波信号检测技术也必须与时俱进，不断发展。众所周知，精确确定一个信号需要三大参数：频率、相位和功率，因此对这三个参数的测量是一项非常重要的任务，可以说在航空航天、微波通信等领域有着非常好的潜在应用价值，在低频率阶段，人们对这三个参数的测试结构已经研究的颇为深刻了，各种各样的信号检测器已经能很好的满足人们的需求了，但是在高频段，尤其是位于毫米波频段内，现有的频率检测器、相位检测器和功率检测器不仅结构复杂、体积较大、成本较高，而且很难将它们高效地集成在一起，另外由于处于毫米波频段，各个信号检测器都势必制作的非常小，这样就会引起各种不必要的高频效应。
为了解决上述问题，随着对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深入研究，本发明在高阻Si衬底上设计了一种将毫米波频率、相位和功率检测集成在一起的信号检测仪器，这种利用缝隙耦合结构的信号检测器不仅结构简单新颖，而且制作成本较低，在毫米波频段可以高效的监测信号的各个参数，而且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缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器，为了解决传统信号检测器结构复杂的难题，本发明采用了共面波导缝隙耦合结构，而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，这三种结构可以有效的集成在一起，从而达到对毫米波信号的频率、相位和功率的精确测量，并通过模数转换将待测的参量直接显示在液晶屏幕上，形成一个全面的微波信号检测仪器，为毫米波信号的检测打下了坚实牢固的基础。
技术方案：本发明的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器主要是由传感器、模数转换、MCS51单片机和液晶显示四大模块组成，这四个大模块又由一些基础的小模块和电路构成。
其中传感器部分是由频率检测模块、相位检测模块和功率检测模块这三个小模块构成，它们制作在高阻Si衬底上，是由共面波导传输线、四个尺寸相同的缝隙耦合结构、移相器、两个尺寸相同的单刀双掷开关、一个T型结功分器、三个T型结功合器以及六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，最后是功率检测模块，在第六端口处连接着六号间接式热电式功率传感器。
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(对应电压为V1)，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(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(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从附图中图2可以看到，参考信号Pc(对应电压为Vc)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(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缝隙耦合信号进行功率合成，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。
最后的毫米波功率检测模块是用间接式的热电式功率检测器来检测原毫米波信号的功率大小的，它主要是由共面波导传输线、终端电阻和热电堆所构成，而热电堆主要是由两种不同的半导体臂级联所组成，这样终端电阻吸收能量后发出的热量就会被热电堆的热端吸收，热电堆的热端和冷端会因此产生温差，根据seebeck效应就能得到热电势的值，需要注意的是为了热电堆更好的吸收热能，在终端电阻和热电堆下方会将衬底减薄，这样热能就不会从衬底耗散掉，从而提高了热电转换效率。原毫米波信号的功率大小P可以由下式表达：
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(1)、(2)、(3)中出现的功率P1、P2、P3、P4、PL、PR、PC、PS都需要经过公式(4)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，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：
然后是MCS51单片机部分，它的主要作用就是对各个电压值进行公式计算得到需要的频率f、相位Φ和功率P的数值。
最后就是液晶显示部分，它的主要作用就是将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。
有益效果：在本发明中，为了将频率检测、相位检测和功率检测集成在一起，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检测，而大部分的信号能够继续在共面波导上传播并进行功率检测，其中功分器和功合器采用的是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，大大的提高了信号检测的效率。
附图说明
图1为本发明的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器的总框图
图2为本发明的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的俯视图
图3为本发明的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的单刀双掷开关的俯视图
图4为本发明的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的单刀双掷开关AA’方向的剖面图
图5为本发明的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的T型结功分器和T型结功合器的俯视图
图6为本发明的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的间接式热电式功率传感器的俯视图
图7为本发明的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的间接式热电式功率传感器的剖面图
图8为本发明的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器中模数转换的电路图
图中包括：高阻Si衬底1，SiO2层2，共面波导传输线3，一号缝隙耦合结构4-1，二号缝隙耦合结构4-2，三号缝隙耦合结构4-3，四号缝隙耦合结构4-4，移相器5，频率检测模块6，相位检测模块7，功率检测模块8，终端电阻9，P型半导体臂10，N型半导体臂11，欧姆接触12，热电堆13，输出电极14，扇形缺陷结构15，空气桥16，衬底膜结构17，热端18，冷端19，一号单刀双掷开关20，二号单刀双掷开关21，锚区22，Si3N4介质层23，开关下拉电极板24，开关梁25，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
本发明的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器中传感器部分是基于高阻Si衬底1制作的，是由共面波导传输线3、一号缝隙耦合结构4-1、二号缝隙耦合结构4-2、三号缝隙耦合结构4-3、四号缝隙耦合结构4-4、移相器5、一号单刀双掷开关20、二号单刀双掷开关21、一个T型结功分器、三个T型结功合器以及六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，主要由共面波导传输线3、两个扇形缺陷结构15和三个空气桥17构成，扇形缺陷结构15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17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3、两个终端电阻9以及热电堆13所构成，而热电堆13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3与两个终端电阻9相连，而热电堆13与终端电阻9之间有一段间隔；终端电阻吸收能量后发出的热量就会被热电堆的热端吸收，热电堆的热端和冷端会因此产生温差，根据seebeck效应就能得到热电势的值，需要注意的是为了热电堆更好的吸收热能，在终端电阻和热电堆下方会将衬底减薄，这样热能就不会从衬底耗散掉，从而提高了热电转换效率。
具体结构方案如下：第一端口1-1是信号输入端，一号缝隙耦合结构4-1和二号缝隙耦合结构4-2位于共面波导传输线3上侧地线，三号缝隙耦合结构4-3和四号缝隙耦合结构4-4则位于共面波导传输线3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5隔开，首先来看频率检测模块6，一号缝隙耦合结构4-1连接到第二端口1-2，第二端口1-2与一号单刀双掷开关20的输入端相连，一号单刀双掷开关20的输出端分别连接到一号T型结功合器和一号间接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构4-2连接到第三端口1-3，第三端口1-3与二号单刀双掷开关21的输入端相连，二号单刀双掷开关21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7，三号缝隙耦合结构4-3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4-4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，最后是功率检测模块8，在第六端口1-6处连接着六号间接式热电式功率传感器。在每个间接式热电式功率传感器之后都连接着模数转换模块，然后将这些模数转换得到的数字信号都接入MCS51单片机进行公式计算，最后通过液晶显示屏显示输出频率、相位和功率的数值大小。
本发明的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的制备方法为：
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9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9和热电堆13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14和开关下拉电极板23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、输出电极14和开关下拉电极板23；
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16和开关梁24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16和开关梁24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14以及空气桥16和开关梁24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14、空气桥16和开关梁24；
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17地方的光刻胶，在终端负载电阻9和热电堆13热端下方刻蚀减薄Si衬底，形成衬底膜结构17，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16和开关梁24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频率和相位大小；功率分配器和功率合成器都采用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；至于功率检测器，则采用间接式热电式功率传感器来实现热电转换，从而测得功率的大小。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，实现了毫米波信号的频率、相位以及功率实现一体化检测，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。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缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器。

Claims (3)

1.一种硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器，该信号检测器的传感器部分制作在高阻Si衬底(1)上，是由共面波导传输线(3)、一号缝隙耦合结构(4-1)、二号缝隙耦合结构(4-2)、三号缝隙耦合结构(4-3)、四号缝隙耦合结构(4-4)、移相器(5)、一号单刀双掷开关(20)、二号单刀双掷开关(21)、一个T型结功分器、三个T型结功合器以及六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(4-1)和二号缝隙耦合结构(4-2)位于共面波导传输线(3)上侧地线，三号缝隙耦合结构(4-3)和四号缝隙耦合结构(4-4)则位于共面波导传输线(3)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(5)隔开，首先来看频率检测模块(6)，一号缝隙耦合结构(4-1)连接到第二端口(1-2)，第二端口(1-2)与一号单刀双掷开关(20)的输入端相连，一号单刀双掷开关(20)的输出端分别连接到一号T型结功合器和一号间接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构(4-2)连接到第三端口(1-3)，第三端口(1-3)与二号单刀双掷开关(21)的输入端相连，二号单刀双掷开关(21)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(7)，三号缝隙耦合结构(4-3)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(4-4)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，最后是功率检测模块(8)，在第六端口(1-6)处连接着六号间接式热电式功率传感器；在每个间接式热电式功率传感器之后都连接着模数转换模块，然后将这些模数转换得到的数字信号都接入MCS51单片机进行公式计算，最后通过液晶显示屏显示输出频率、相位和功率的数值大小。
2.如权利要求1所述的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器，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(3)、两个扇形缺陷结构(15)和三个空气桥(17)构成，扇形缺陷结构(15)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(17)是位于中心信号线上方的梁结构。
3.如权利要求1所述的硅基缝隙耦合式T型结的间接式毫米波信号检测仪器，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(3)、两个终端电阻(9)以及热电堆(13)所构成，而热电堆(13)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(3)与两个终端电阻(9)相连，而热电堆(13)与终端电阻(9)之间有一段间隔。
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