CN106841792B - 基于悬臂梁的在线式微波相位检测器及检测方法 - Google Patents

基于悬臂梁的在线式微波相位检测器及检测方法 Download PDF

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Abstract

基于悬臂梁的在线式微波相位检测器及检测方法，检测器制备在高阻硅衬底上，由共面波导传输线、两个悬臂梁结构、功合器以及两个间接热电式微波功率传感器所构成。其中共面波导传输线包括信号线和地线；悬臂梁结构包括悬臂梁的梁和锚区，悬于信号线上的介质层上方；功合器包括不对称共面带线ACPS信号线、地线和隔离电阻；间接热电式微波功率传感器包括终端电阻、金属热偶臂、半导体热偶臂、欧姆接触区和直流输出块。本发明检测器结构简单，电路尺寸较小，可实现微波相位的在线式检测。

Description

基于悬臂梁的在线式微波相位检测器及检测方法
技术领域
本发明提出了基于悬臂梁的在线式微波相位检测器及检测方法，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
在微波技术领域中，相位是表征微波信号的重要参数之一。微波信号相位检测系统在相位调制器、相移键控、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。现有的微波相位检测技术是基于二极管、乘法器结构和矢量运算原理，它们具有低损耗、高灵敏度和宽频带的优点，然而其最大的缺点是结构相对复杂，并且无法实现在线式的微波相位检测。随着微电子技术的发展，现代个人通信系统和雷达系统对微波相位检测器的要求也越来越高。简单的结构、小的体积以及小的直流功耗成为微波相位检测器的发展趋势。随着MEMS技术的快速发展，并对高阻硅金属半导体场效应晶体管进行了的深入研究，使基于微机械高阻硅基的悬臂梁结构实现上述功能的在线式微波相位检测器成为可能。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种基于悬臂梁的在线式微波相位检测器，本发明采用了悬臂梁结构耦合微波信号，在微波信号的功率检测方面采用间接热电式微波功率传感器，在微波相位检测方面采用矢量合成法，从而实现了在线式微波相位的检测。
技术方案：基于悬臂梁的在线式微波相位检测器，在高阻硅衬底上设有共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线对称的悬臂梁结构1和悬臂梁结构2、功合器以及间接热电式微波功率传感器1和间接热电式微波功率传感器2，所述的共面波导传输线由共面波导传输线的信号线和地线构成，待测微波信号通过共面波导传输线传输，两个关于共面波导传输线的信号线对称的悬臂梁结构1和悬臂梁结构2悬于共面波导传输线的信号线上的绝缘介质层上方，上侧悬臂梁结构1的锚区通过共面波导传输线的信号线连接间接热电式微波功率传感器1，下侧悬臂梁结构2的锚区通过共面波导传输线的信号线连接至功合器的一个输入端，功合器的另一个输入端通过共面波导传输线的信号线连接至参考信号输入端口，输出端通过共面波导传输线的信号线连接间接热电式微波功率传感器2。
间接热电式微波功率传感器包括共面波导传输线的信号线、两个终端电阻、热电堆以及直流输出块所构成，热电堆是由金属热偶臂和半导体热偶臂通过欧姆接触区级联组成。
功合器包括不对称共面带线ACPS信号线、共面波导传输线的信号线和隔离电阻，功合器的输入端和输出端之间为不对称的共面带线ACPS信号线，输入端和输入端为共面波导传输线的信号线，隔离电阻设置在两个输入端之间。
本发明提供了一种基于悬臂梁的在线式微波相位检测器，位于共面波导传输线上方的两个对称的悬臂梁在线耦合出部分微波信号，上侧悬臂梁结构的锚区连接间接热电式微波功率传感器检测功率大小，下侧悬臂梁结构的锚区将耦合信号输入功合器并与参考信号进行矢量合成，功合器输出端连接一个间接热电式微波功率传感器检测合成后的信号功率。根据间接热电式微波功率传感器直流输出电压的大小，推断出待测信号的相位。本发明的基于悬臂梁的在线式微波相位检测器，不但具有易于测量的优点，而且能够实现对微波信号相位的在线式检测，易于集成以及与高阻硅单片微波集成电路兼容的优点。
同时，由于悬臂梁结构耦合出来的信号功率很小，大部分的信号能够继续通过共面波导传输线向后传播并进行后续的信号处理，从而实现了在线式微波相位的检测。
有益效果：本发明是基于悬臂梁的在线式微波相位检测器，采用了结构简单的悬臂梁结构耦合微波信号，并利用这部分耦合小信号实现微波相位的在线式检测，而大部分的信号能够继续在共面波导上传播并进行后续信号处理。
附图说明
图1为本发明的基于悬臂梁的在线式微波相位检测器俯视图；
图2为图1基于悬臂梁的在线式微波相位检测器的A-A’剖面图；
图3为图1基于悬臂梁的在线式微波相位检测器的B-B’剖面图；
图中包括：高阻硅衬底1，共面波导传输线的信号线2、地线3，悬臂梁结构1的悬臂梁4和锚区5，悬臂梁结构2的固支梁6和锚区7，绝缘介质层8，功合器的隔离电阻9、ACPS信号线10、第一共面波导传输线的信号线11、第二共面波导传输线的信号线12和第三共面波导传输线的信号线13，间接热电式微波功率传感器1的金属热偶臂14、半导体热偶臂15、欧姆接触区16、直流输出块17、终端电阻18和共面波导传输线的信号线24，间接热电式微波功率传感器2的金属热偶臂20、半导体热偶臂21、欧姆接触区22、直流输出块23和终端电阻19，SiO2层25。在高阻硅衬底1上制备一次SiO2层25，在SiO2层25上设有共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线2对称的悬臂梁结构1和悬臂梁结构2、功合器以及间接热电式微波功率传感器1和间接热电式微波功率传感器2。
具体实施方式
本发明的基于悬臂梁的在线式微波相位检测器制作在高阻硅衬底1上，在高阻硅衬底上制备有一层SiO2层25，在SiO2层25上设有共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线2对称的悬臂梁结构1和悬臂梁结构2、功合器以及间接热电式微波功率传感器1和间接热电式微波功率传感器2。共面波导传输线作为本发明相位检测器的信号传输线，共面波导传输线由共面波导传输线的信号线2和地线3构成。
悬臂梁结构1由悬臂梁4和锚区5构成；悬臂梁结构2由悬臂梁6和锚区7构成。悬臂梁结构1和悬臂梁结构2位于共面波导传输线的信号线2上的绝缘介质层6的上方；功合器包括隔离电阻9、ACPS信号线10、第一共面波导传输线的信号线11、第二共面波导传输线的信号线12和第三共面波导传输线的信号线13；间接热电式微波功率传感器1包括金属热偶臂14、半导体热偶臂15、欧姆接触区16、直流输出块17、终端电阻18和共面波导传输线的信号线24；间接热电式微波功率传感器2包括金属热偶臂20、半导体热偶臂21、欧姆接触区22、直流输出块23和终端电阻19。
本发明的基于悬臂梁的在线式微波相位检测器的具体实施方案如下：
如图1，高阻硅衬底1，共面波导传输线的信号线2、地线3，悬臂梁结构1的悬臂梁4和锚区5，悬臂梁结构2的固支梁6和锚区7，绝缘介质层8，功合器的隔离电阻9、ACPS信号线10、第一共面波导传输线的信号线11、第二共面波导传输线的信号线12和第三共面波导传输线的信号线13，间接热电式微波功率传感器1的金属热偶臂14、半导体热偶臂15、欧姆接触区16、直流输出块17、终端电阻18和共面波导传输线的信号线24，间接热电式微波功率传感器2的金属热偶臂20、半导体热偶臂21、欧姆接触区22、直流输出块23和终端电阻19，SiO2层25。在高阻硅衬底1上制备一次SiO2层25，在SiO2层25上设有共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线2对称的悬臂梁结构1和悬臂梁结构2、功合器以及间接热电式微波功率传感器1和间接热电式微波功率传感器2。
当待测微波信号通过共面波导传输线的信号线2时，悬臂梁结构1和悬臂梁结构2耦合出部分微波信号，并且分别由悬臂梁结构1的锚区5和悬臂梁结构2的锚区7输出。上侧悬臂梁结构1的锚区5通过间接热电式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线24将耦合微波信号输向间接热电式微波功率传感器1，并检测出其功率P1；下侧悬臂梁结构2的锚区7通过功合器的第一共面波导传输线的信号线11将耦合微波信号输向功合器的一个输入端，其通过功合器与从参考信号输入端口输入的功率为P2的参考信号矢量合成，合成后的信号功率为P3。记待测微波信号和参考信号的相位差为则经功合器输出的合成信号的功率与相位差存在余弦函数关系，通过计算最终实现待测微波信号相位的在线式检测。
基于公式(1)最终可以推导出:
同时，由于悬臂梁结构耦合出来的信号功率很小，大部分的信号能够继续通过共面波导传输线向后传播并进行后续的信号处理，从而实现了在线式微波相位的检测。
本发明的基于悬臂梁的在线式微波相位检测器的制备方法为：
1)准备4英寸高阻Si衬底，电阻率为4000Ω·cm，厚度为400mm；
2)热生长一层厚度为1.2mm的SiO2层；
3)化学气相淀积(CVD)生长一层多晶硅，厚度为0.4mm；
4)光刻并隔离外延的N+高阻硅，形成热电堆的半导体热偶臂的图形和欧姆接触区；
5)反刻N+高阻硅，形成其掺杂浓度为1017cm-3的热电堆的半导体热偶臂；
6)光刻：去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；
7)剥离，形成热电堆的金属热偶臂；
8)光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；
9)溅射氮化钽，其厚度为1μm；
10)剥离涂覆一层光刻胶，光刻去除共面波导传输线、ACPS信号线、热电堆金属互连线以及输出电极处的光刻胶；
11)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，剥离形成传输线的第一层Au、热电堆金属互连线以及输出电极；
12)淀积(LPCVD)一层Si3N4，厚度为0.1mm；
13)涂覆一层光刻胶，光刻并保留悬臂梁下方的光刻胶，干法刻蚀Si3N4，形成Si3N4介质层；
14)均匀涂覆一层聚酰亚胺并光刻图形，厚度为2mm，保留悬臂梁下方的聚酰亚胺作为牺牲层；
15)涂覆光刻胶，光刻去除悬臂梁、悬臂梁结构的锚区、共面波导传输线、ACPS信号线以及输出电极位置的光刻胶；
16)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；
17)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成悬臂梁、悬臂梁结构的锚区、共面波导传输线、ACPS信号线以及输出电极；
18)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；
19)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除悬臂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。
区别是否为本发明结构的标准如下：
本发明的基于悬臂梁的在线式微波相位检测器采用两个完全对称的悬臂梁结构耦合微波信号，具有两个间接热电式微波功率传感器和功合器。当待测微波信号通过共面波导传输线时，悬臂梁结构耦合出小部分微波信号，并且分别由悬臂梁结构的锚区输出。上侧悬臂梁结构的锚区通过共面波导传输线的信号线将耦合微波信号输向间接热电式微波功率传感器；下侧悬臂梁结构的锚区通过共面波导传输线的信号线将耦合微波信号输向功合器，其通过功合器与参考信号矢量合成。合成信号的功率与微波信号间的相位差存在余弦函数关系，最终利用矢量合成原理来实现微波信号相位的在线式检测。
满足以上条件的结构即视为本发明的基于悬臂梁的在线式微波相位检测器及检测方法。

Claims (3)

1.一种基于悬臂梁的在线式微波相位检测器，其特征是在高阻硅衬底（1）上制作SiO2层（25），在SiO2层（25）上设有共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线（2）对称的悬臂梁结构1和悬臂梁结构2、功合器以及间接热电式微波功率传感器1和间接热电式微波功率传感器2，所述的共面波导传输线由共面波导传输线的信号线（2）和地线（3）构成，所述的悬臂梁结构1由悬臂梁1（4）和锚区1（5）构成，所述的悬臂梁结构2由悬臂梁2（6）和锚区2（7）构成，悬臂梁1（4）和悬臂梁2（6）与下方的共面波导传输线的信号线（2）之间设有绝缘介质层（8），悬臂梁结构1的锚区1（5）通过间接热电式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线（24）连接至间接热电式微波功率传感器1，悬臂梁结构2的锚区2（7）通过功合器的第一共面波导传输线的信号线（11）连接至功合器的一个输入端，另一个输入端由功合器的第二共面波导传输线的信号线（12）连接至参考信号的输入端口，功合器的输出端通过功合器的第三共面波导传输线的信号线（13）连接至间接热电式微波功率传感器2。
2.根据权利要求1所述的基于悬臂梁的在线式微波相位检测器，其特征是采用功合器进行功率合成，所述的功合器包括隔离电阻（9）、ACPS信号线（10）、第一共面波导传输线的信号线（11）、第二共面波导传输线的信号线（12）和第三共面波导传输线的信号线（13），其中第一共面波导传输线的信号线（11）和第二共面波导传输线的信号线（12）是功合器的两个输入端口连接线，第三共面波导传输线的信号线（13）是功合器的输出端口连接线，功合器的输入端口和输出端口之间通过ACPS信号线（10）连接，隔离电阻安置在第一共面波导传输线的信号线（11）和第二共面波导传输线的信号线（12）之间。
3.根据权利要求1所述的基于悬臂梁的在线式微波相位检测器，其特征是采用间接热电式微波功率传感器进行功率检查，所述的间接热电式微波功率传感器1包括共面波导传输线的信号线（24）、两个终端电阻1（18）、热电堆1和直流输出块1（17），热电堆1是由金属热偶臂1（14）和半导体热偶臂1（15）通过欧姆接触区1（16）级联组成；所述的间接热电式微波功率传感器2包括第三共面波导传输线的信号线（13）、两个终端电阻2（19）、热电堆2和直流输出块2（23），热电堆2是由金属热偶臂2（20）和半导体热偶臂2（21）通过欧姆接触区2（22）级联组成。
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