CN106841790B - 固支梁t型结直接加热式微波信号检测仪器 - Google Patents

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Abstract

本发明的固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器由传感器、模数转换、MCS51单片机和液晶显示四大模块组成，传感器由六端口固支梁耦合器，通道选择开关，微波频率检测器，微波相位检测器，直接加热式微波功率传感器级联构成；六端口固支梁耦合器的第一端口到第三端口、第四端口以及第一端口到第五端口、第六端口的功率耦合度相同，信号经第一端口输入，并由第二端口输出直接加热式微波功率传感器，由第四端口和第六端口输出微波相位检测器，由第三端口和第五端口输出通道选择开关；通道选择开关的第七端口和第八端口接直接加热式微波功率传感器，通道选择开关的第九端口和第十端口接微波频率检测器；实现了同时对微波信号的功率、相位、频率检测。

Description

固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器
技术领域
本发明提出了固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
在现代化的技术背景下，微波信号检测在相位调制器、相移键控(PSK)、锁相环(PLL)、微波定位、天线相位方向图的测试、近场诊断、测量各种微波器件的相位特性等等方面都有极其广泛的应用。这些系统在实际应用中迫切需要重量轻、体积小、功耗低、集成度高的电子设备。而现有的微波功率、相位、频率检测器都为分立电路且体积较大，为此急需一种可对三种微波参量实现集成检测的系统来满足微波通讯领域的应用需求。本发明即是基于Si工艺设计一种单个芯片同时实现检测微波功率、相位、频率的固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器。
发明内容
技术问题：传统的微波电路中的功率检测模块、相位检测模块与频率检测模块是独立分开的，分开的电路模块不仅提高了成本，而且无形中增加了功率消耗；而本发明将微波信号的功率、相位、频率三种测模块集成到一起，应用六端口固支梁耦合器端口来耦合连接不同的检测功能模块，并通过模数转换将待测的参量直接显示在液晶屏幕上，从而实现了一个芯片同时对微波信号的功率、相位、频率三种微波参量的检测、具有低功耗、低成本的益处。
技术方案：本发明的固支梁T型结直接加热式微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个大模块组成，这四个大模块又由一些基础的小模块和电路构成。
其中传感器部分由六端口固支梁耦合器，通道选择开关，微波频率检测器，微波相位检测器，直接加热式微波功率传感器组成；六端口固支梁耦合器的第一端口到第三端口、第四端口以及第一端口到第五端口、第六端口的功率耦合度相同，待测信号经第一端口输入，并由第二端口输出到第一直接加热式微波功率传感器，由第四端口和第六端口输出到微波相位检测器的第一T型结功率合成器和第二T型结功率合成器，并由第一T型结功率合成器和第二T型结功率合成器分别接第四直接加热式微波功率传感器和第五直接加热式微波功率传感器；由第三端口和第五端口输出到通道选择开关；通道选择开关的第七端口和第八端口接直接加热式微波功率传感器，通道选择开关的第二端口和第四端口接微波频率检测器，从而实现了对微波信号功率、相位、频率的检测。
其中，六端口固支梁耦合器由共面波导，介质层，空气层和横跨在其上方固支梁构成；共面波导制作在SiO2层上，固支梁的锚区制作在共面波导上，固支梁的下方沉积有介质层，并与空气层、固支梁共同构成耦合电容结构，两个固支梁之间的共面波导长度为λ/4；
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。
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、相位和功率的数值。
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、相位和功率的读数。
有益效果：
1)本发明的固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器将微波信号的功率、相位、频率三种测模块集成到一起，应用六端口固支梁耦合器的固支梁来耦合输入信号到不同的检测功能模块，实现了一个芯片同时对微波信号的功率、相位、频率三种微波参量的检测、具有低功耗、低成本的益处；
2)本发明的固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器采用直接加热式微波功率传感器检测微波信号的功率，具有较高的灵敏度且无直流功耗；
3)本发明的固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器采用T型结实现对微波信号的功率合成与分配，避免了传统Wilkinson功率分配器中隔离电阻的加工对微波性能的影响；
4)本发明中的微波相位检测模块采用两个T型结功率合成器，一个T型结功率分配器和两个直接加热式微波功率传感器实现0-360°的相位检测。
附图说明
图1为本发明固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器的结构框图，
图2为本发明固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器的原理框图，
图3为六端口固支梁耦合器的俯视图，
图4为图3六端口固支梁耦合器的AA’方向剖面图，
图5为通道选择开关的俯视图，
图6为图5通道选择开关的AA’方向剖面图，
图7为T型结功率分配/合成器的俯视图，
图8为直接加热式微波功率传感器的俯视图，
图9为图8直接加热式微波功率传感器的AA’方向剖面图，
图10为图8直接加热式微波功率传感器的BB’方向剖面图，
图11为图1模数转换模块的电路图。
图中包括：六端口固支梁耦合器1，通道选择开关2，微波频率检测器3，微波相位检测器4，第一直接加热式微波功率传感器5-1，第二直接加热式微波功率传感器5-2，第三直接加热式微波功率传感器5-3，第四直接加热式微波功率传感器5-4，第四直接加热式微波功率传感器5-4，第五直接加热式微波功率传感器5-5，第六直接加热式微波功率传感器5-6，第一T型结功率合成器6-1，第二T型结功率合成器6-2，第三T型结功率合成器6-3，T型结功率分配器7，Si衬底8，SiO2层9，共面波导10，锚区11，介质层12，固支梁13，悬臂梁14，空气层15，空气桥16，隔直电容上极板17，输出电极18，半导体臂19，金属臂20，热端21，冷端22，隔直电容下极板23，衬底薄膜结构24，终端电阻25，下拉电极26，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2-4，第十一端口6-1，第十二端口6-2，第十三端口6-3。
具体实施方式
本发明固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器中传感器部分由六端口固支梁耦合器1，通道选择开关2，微波频率检测器3，微波相位检测器4，第一直接加热式微波功率传感器5-1级联构成；微波频率检测器3由第三T型结功率合成器6-3和第六直接加热式微波功率传感器5-6级联构成；微波相位检测器4由第四直接加热式微波功率传感器5-4，第五直接加热式微波功率传感器5-5，第一T型结功率合成器6-1，第二T型结功率合成器6-2，T型结功率分配器7构成；六端口固支梁耦合器1由共面波导10，介质层12，空气层15和横跨在其上方固支梁13构成；共面波导10制作在SiO2层9上，固支梁13的锚区11制作在共面波导10上，固支梁13的下方沉积有介质层12，并与空气层15、固支梁13共同构成耦合电容结构，两个固支梁13之间的共面波导10长度为λ/4；通道选择开关2由共面波导10，锚区11，介质层12，悬臂梁14，下拉电极26构成；悬臂梁14的锚区11制作在共面波导10上，悬臂梁下方制作下拉电极26，并与下拉电极26上方介质层12共同构成开关结构；T型结功率合成器，T型结功率分配器的拓扑结构相同，由共面波导10和空气桥16构成，信号从第十一端口6-1输入为T型结功率分配器，信号从第十二端口6-2，第十三端口6-3输入为T型结功率合成器；
六端口固支梁耦合器1的第一端口1-1到第三端口1-3、第四端口1-4以及第一端口1-1到第五端口1-5、第六端口1-6的功率耦合度分别相同；待测信号经六端口固支梁耦合器1的第一端口1-1输入，并由第二端口1-2输出到第一直接加热式微波功率传感器5-1，由第四端口1-4和第六端口1-6输出到微波相位检测器4，由第三端口1-3和第五端口1-5输出到通道选择开关2；通道选择开关2的第七端口2-1和第八端口2-2接第二直接加热式微波功率传感器5-2，第三直接加热式微波功率传感器5-3，通道选择开关2的第九端口2-3和第十端口2-4接微波频率检测器3；在每个直接加热式微波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，实现了一个芯片同时对微波信号的功率、相位、频率三种微波参量的检测、具有低功耗、低成本的益处。其微波功率、相位、频率的检测原理可以解释如下：
功率检测：如图5所示微波功率从输入端口输入，通过共面波导10输入到终端电阻25消耗转化成热量；半导体臂19和金属臂20构成热电偶，热电偶的中间区域作为热端21，热电偶的边缘区域作为冷端22；根据Seebeck效应，通过测量输出电极18的热电势可知输入微波功率大小；隔直电容上极板17，隔直电容下极板23及介质层11构成隔直电容来防止输出电极18短路；热电偶的热端21背部将衬底减薄构成衬底薄膜结构24用以提高检测灵敏度；功率大小P可以由下式表达：
频率检测：如图1所示微波信号经六端口固支梁耦合器1的第三端口1-3和第五端口1-5输出到通道选择开关2；通道选择开关2的第七端口2-1和第八端口2-2接第二直接加热式微波功率传感器5-2和第三直接加热式微波功率传感器5-3，通道选择开关2的第九端口2-3和第十端口2-4接微波频率检测器3；通道选择开关2的悬臂梁14接地，下拉电极26接驱动电压，当驱动电压大于等于开启电压时，悬臂梁14被拉下，通道被选通；当通道选择开关2的第七端口2-1和第八端口2-2被选通时，可以测试出六端口固支梁耦合器1的输出耦合功率P3和P5。六端口固支梁耦合器1的两个固支梁13之间的共面波导10长度为λ/4，此时第三端口1-3和第五端口1-5的相位差为90°，且如公式(1)所示相位差是频率的线性函数。
λ为输入微波信号的波长，c是光速，εer为等效介电常数仅与器件结构有关。当通道选择开关2的第九端口2-3和第十端口2-4被选通时，两路微波信号经过第三T型结功率合成器6-3进行功率合成，并应用第六直接加热式微波功率传感器5-6检测合成信号功率Ps大小，根据公式(2)可得出输入微波信号的频率。
P3，P5为第三端口1-3与第五端口1-5耦合的功率，可由第二直接加热式微波功率传感器5-2和第三直接加热式微波功率传感器5-3检测得到。
相位检测器：如图1所示微波信号经六端口固支梁耦合器1的第四端口1-4和第六端口1-6输入到微波相位检测器4进行相位检测；六端口固支梁耦合器1的两个固支梁13之间的共面波导10长度为λ/4，此时通过第四端口1-4和第六端口1-6的两路微波信号相位差为90°；输入功率已知为Pr，与待测信号频率相同f(微波频率检测器3测得)的参考信号，参考信号经T型结功率分配器7分成两路功率和相位相同的信号与第四端口1-4和第六端口1-6的两路待测信号经第一T型结功率合成器6-1和第二T型结功率合成器6-2进行功率合成；第四直接加热式微波功率传感器5-4和第五直接加热式微波功率传感器5-5对左右两路合成后的功率Pcs1，Pcs2进行检测，并通过公式(4)得出待测信号与参考信号之间的相位差
P4，P6为第四端口1-4与第六端口1-6耦合的功率，并且P4＝P3，P6＝P5。
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：
固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器中传感器模块的制备方法包括以下几个步骤：
1)准备4英寸高阻Si衬底8，电阻率为4000Ω·cm，厚度为400mm；
2)热生长一层厚度为1.2mm的SiO2层9；
3)化学气相淀积(CVD)生长一层多晶硅，厚度为0.4mm；
4)涂覆一层光刻胶并光刻，除多晶硅电阻区域以外，其他区域被光刻胶保护，并注入磷(P)离子，掺杂浓度为1015cm-2，形成终端电阻25；
5)涂覆一层光刻胶，光刻多晶硅电阻图形涂覆一层光刻胶，光刻多晶硅电阻图形，再通过干法刻蚀形成终端电阻25和半导体臂19；
6)涂覆一层光刻胶，光刻去除共面波导10、金属互连线以及输出电极18处的光刻胶；
7)电子束蒸发(EBE)形成第一层金(Au)，厚度为0.3mm，去除光刻胶以及光刻胶上的Au，剥离形成共面波导的第一层Au、热电堆金属互连线，隔直电容下极板23、下拉电极26以及输出电极18；
8)淀积(LPCVD)一层Si3N4，厚度为0.1mm；
9)涂覆一层光刻胶，光刻并保留隔直电容，固支梁13和悬臂梁14下方的光刻胶，干法刻蚀Si3N4，形成介质层12；
10)均匀涂覆一层空气层15并光刻图形，厚度为2mm，保留固支梁13和悬臂梁14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14、固支梁13、锚区11、共面波导10、隔直电容上极板17以及输出电极18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2mm的Au层；
13)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成悬臂梁14、固支梁13、锚区11、共面波导10、隔直电容上极板17和输出电极18；
14)深反应离子刻蚀(DRIE)衬底材料背面，制作薄膜结构24；
15)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除固支梁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。
本发明与现有技术的区别在于：
本发明采用了新颖的六端口固支梁耦合结构，这种固支梁耦合结构从共面波导中传输的微波信号中耦合出一部分，并利用耦合出的信号来检测微波信号的功率、频率和相位大小；采用T型结实现对微波信号的功率合成与分配，避免了传统Wilkinson功率分配器中隔离电阻的加工对微波性能的影响；采用直接加热式微波功率传感器来检测信号的微波功率，具有较高的灵敏度且无直流功耗；本发明的固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器实现了一个芯片同时对微波信号的功率、相位、频率三种微波参量的检测、具有低功耗、低成本的益处。
满足以上条件的结构即视为本发明的固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器。

Claims (3)

1.一种固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器，其特征在于该微波信号检测仪器的传感器部分由六端口固支梁耦合器（1），通道选择开关（2），微波频率检测器（3），微波相位检测器（4），第二直接加热式微波功率传感器（5-2）和第三直接加热式微波功率传感器（5-3）级联构成；其中，六端口固支梁耦合器（1）的第一端口（1-1）到第三端口（1-3）、第四端口（1-4）以及第一端口（1-1）到第五端口（1-5）、第六端口（1-6）的功率耦合度相同，待测信号经第一端口（1-1）输入，并由第二端口（1-2）输出到第一直接加热式微波功率传感器（5-1），由第四端口（1-4）和第六端口（1-6）输出到微波相位检测器（4）的第一T型结功率合成器（6-1）和第二T型结功率合成器（6-2），并由第一T型结功率合成器（6-1）和第二T型结功率合成器（6-2）分别接第四直接加热式微波功率传感器（5-4）和第五直接加热式微波功率传感器（5-5），参考信号经T型结功率分配器(7)分成两路功率和相位相同的信号与第四端口(1-4)和第六端口(1-6)的两路待测信号经第一T型结功率合成器(6-1)和第二T型结功率合成器(6-2)进行功率合成；由第三端口（1-3）和第五端口（1-5）输出到通道选择开关（2）；通道选择开关（2）的第七端口（2-1）和第八端口（2-2）分别接第二直接加热式微波功率传感器（5-2）和第三直接加热式微波功率传感器（5-3），通道选择开关（2）的第九端口（2-3）和第十端口（2-4）接微波频率检测器（3）的第三T型结功率合成器（6-3），并第三T型结功率合成器（6-3）接第六直接加热式微波功率传感器（5-6），在每个直接加热式微波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，从而实现了对微波信号功率、相位、频率的检测；
其中，六端口固支梁耦合器（1）由共面波导（10），介质层（12），空气层（15）和横跨在其上方固支梁（13）构成；共面波导（10）制作在SiO2层（9）上，固支梁（13）的锚区（11）制作在共面波导（10）上，固支梁（13）的下方沉积有介质层（12），并与空气层（15）、固支梁（13）共同构成耦合电容结构，两个固支梁（13）之间的共面波导（10）长度为λ/4。
2.如权利要求1中所述的固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器，其特征在于通道选择开关（2）由共面波导（10），锚区（11），介质层（12），悬臂梁（14），下拉电极（26）构成；悬臂梁（14）的锚区（11）制作在共面波导（10）上，悬臂梁（14）的下方制作下拉电极（26），并与下拉电极（26）上方介质层（12）共同构成开关结构；通道选择开关（2）的悬臂梁（14）接地，下拉电极（26）接驱动电压；当驱动电压大于等于开启电压时悬臂梁（14）被拉下，通道被选通。
3.如权利要求1所述的固支梁T型结直接加热式微波信号检测仪器，其特征在于直接加热式微波功传感器由Si衬底（8），SiO2层（9），共面波导（10），半导体臂（19），金属臂（20），终端电阻（25）构成；微波功率从输入端口输入，通过共面波导（10）输入到终端电阻（25）被转化成热量；半导体臂（19）和金属臂（20）构成热电偶，根据Seebeck效应，通过测量输出电极（18）的热电势可知输入微波功率大小。
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