CN106841795A - 悬臂梁耦合在线式微波相位检测器 - Google Patents

Abstract

悬臂梁耦合在线式微波相位检测器，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、功合器以及两个直接加热式微波功率传感器所构成。其中共面波导传输线包括共面波导传输线的信号线和地线；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ACPS信号线、地线和隔离电阻和共面波导传输线的信号线；直接加热式微波功率传感器包括终端电阻、半导体热偶臂、直流输出块和隔绝直流电容。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

悬臂梁耦合在线式微波相位检测器

技术领域

本发明提出了悬臂梁耦合在线式微波相位检测器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术

在微波技术研究中，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悬臂梁耦合在线式微波相位检测器，本发明采用了悬臂梁耦合微波信号，微波信号功率检测采用直接加热式微波功率传感器，微波相位检测采用矢量合成法，从而实现了微波相位的在线式检测。

技术方案：悬臂梁耦合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两个悬臂梁结构1和悬臂梁结构2、功合器以及直接加热式微波功率传感器1和直接加热式微波功率传感器2。所述的悬臂梁结构包括悬臂梁和锚区，悬臂梁与下方的待测信号传输线的信号线之间设有绝缘介质层；所述的共面波导传输线由信号线和地线构成，待测微波信号通过共面波导传输线，两个对称的悬臂梁结构悬于待测信号传输线的信号线上方，上侧悬臂梁结构1的锚区通过直接加热式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线连接直接加热式微波功率传感器1，下侧悬臂梁结构2的锚区通过功合器的第一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功合器的第二共面波导传输线的信号线连接至待测信号输入端口，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连接直接加热式微波功率传感器2。

功合器包括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，隔离电阻设置在两个输入端之间。

直接加热式微波功率传感器包括终端电阻、半导体热电偶臂、直流输出块、隔绝直流电容和共面波导传输线的信号线。

本发明提供了一种悬臂梁耦合在线式微波相位检测器，位于共面波导传输线上方的两个完全对称的悬臂梁在线耦合出部分微波信号，上侧的悬臂梁结构1的锚区通过直接加热式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线连接直接加热式微波功率传感器1检测功率大小，下侧的悬臂梁结构2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，功合器输出端连接直接加热式微波功率传感器2检查合成信号功率大小。根据直接加热式微波功率传感器2直流输出电压的大小，推断出待测信号的相位。本发明的悬臂梁耦合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：本发明是悬臂梁耦合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为本发明的悬臂梁耦合在线式微波相位检测器俯视图；

图2为图1悬臂梁耦合在线式微波相位检测器的A-A’剖面图；

图3为图1悬臂梁耦合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、锚区5，悬臂梁结构2的悬臂梁6、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、第三共面波导传输线的信号线13，直接加热式微波功率传感器1的终端电阻14、半导体热电偶臂15、直流输出块16、隔绝直流电容17、共面波导传输线的信号线18，直接加热式微波功率传感器2的终端电阻19、半导体热电偶臂20、直流输出块21、隔绝直流电容22，SiO₂层23。在高阻硅衬底1上制备一次SiO₂层23，在SiO₂层23上设有共面波导传输线、悬臂梁结构1和悬臂梁结构2、功合器以及直接加热式微波功率传感器1和直接加热式微波功率传感器2。

具体实施方式

本发明的悬臂梁耦合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23，在SiO₂层23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、功合器以直接加热式微波功率传感器1和直接加热式微波功率传感器2。共面波导传输线作为本发明相位检测器的信号传输线，用于待测微波信号的传输，以及悬臂梁结构、功合器和直接加热式微波功率传感器之间的信号传输，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和悬臂梁结构2位于待测信号传输线的共面波导传输线的信号线2上的绝缘介质层6的上方。当待测微波信号通过待测信号传输线时，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通过直接加热式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线18将耦合微波信号输向直接加热式微波功率传感器1，并检测出其功率为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，其通过功合器与功率为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。待测微波信号与参考信号之间存在一个相位差功合器的合成信号的功率P₃与该相位差存在一个余弦函数的关系：

其中P₁、P₂分别为悬臂梁结构的锚区一侧的输出功率和参考信号功率。基于公式(1)最终可以推导出:

同时，由于悬臂梁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。

本发明的悬臂梁耦合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)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，形成隔离电阻和终端电阻；

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隔离电阻和终端电阻；

6)涂覆一层光刻胶，光刻去除共面波导传输线、ACP信号线和输出电极处的光刻胶；

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，剥离形成共面波导传输线、ACPS信号线的第一层Au和隔直电容下极板，以及输出电极；

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和悬臂梁下方的光刻胶，干法刻蚀Si₃N₄，形成Si₃N₄介质层；

10)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；

11)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、隔直电容以及输出电极位置的光刻胶；

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、悬臂梁结构的锚区、共面波导传输线、ACPS信号线、隔直电容上极板和输出电极；

14)深反应离子刻蚀(DRIE)衬底材料背面，制作终端电阻、半导体热偶臂下方的薄膜结构；

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：

本发明的悬臂梁耦合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，具有两个完全相同的直接加热式微波功率传感器和一个功合器。当待测微波信号通过共面波导传输线时，悬臂梁结构耦合出部分微波信号，并且分别由悬臂梁结构的两侧锚区输出。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直接加热式微波功率传感器；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悬臂梁耦合在线式微波相位检测器。

Claims (3)

1.一种悬臂梁耦合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(23)，在SiO₂层(23)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、功合器以及直接加热式微波功率传感器1和直接加热式微波功率传感器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(4)和锚区(5)构成；悬臂梁结构2由悬臂梁(6)和锚区(7)构成，共面波导传输线的信号线(2)上侧的悬臂梁结构1的锚区(5)通过直接加热式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线(18)连接直接加热式微波功率传感器1，共面波导传输线的信号线(2)下侧的悬臂梁结构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)连接功合器的输入端，功合器的另一个输入端通过功合器的第二共面波导传输线的信号线(12)连接到参考信号输入端口，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)连接直接加热式微波功率传感器2。

2.根据权利要求1所述的悬臂梁耦合在线式微波相位检测器，其特征是采用直接加热式微波功率传感器检查微波功率，所述的直接加热式微波功率传感器1包括终端电阻(14)、半导体热电偶臂(15)、直流输出块(16)、隔绝直流电容(17)、共面波导传输线的信号线(18)；直接加热式微波功率传感器2包括终端电阻(19)、半导体热电偶臂(20)、直流输出块(21)、隔绝直流电容(22)。

3.根据权利要求1所述的悬臂梁耦合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)组成。