CN108414829A - 基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪 - Google Patents

基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪 Download PDF

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Abstract

本发明的基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪，由微波天线，低噪声放大器，六端口悬臂梁耦合器，微波频率和功率检测模块，放大器，单片机和液晶显示器组成；微波天线接收的信号被放大后进入六端口悬臂梁耦合器，被耦合出的信号用于功率和频率的检测，再被放大器放大后单片机经过运算并在液晶显示器显示辐射信号频率和功率；本发明可以同时得到辐射信号的辐射频率和辐射强度，并使用了直接加热式垂直纳米微波功率传感器替代传统的二极管作为微波功率传感器，具有线性度高、温漂小、功率上限高的优点，多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率，极大地增大输出电压，从而提高了辐射仪的灵敏度和精度。

Description

基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪
技术领域
本发明提出了基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术
微波辐射仪是一种利用微波技术进行遥感的仪器，是一种被动元件。一般的微波辐射仪使用微波天线接收到辐射信号后，再使用混频器和二极管检波器的电路结构，得到微波辐射信号的功率。使用二极管作为检波器件的具有很多问题，比如温漂严重，功率检测上限低且具有非线性特性，无法测量辐射功率信号的频率参量，在环境恶劣的条件下，其准确度有待进一步提升。而直接加热式垂直纳米微波功率传感器以多晶硅纳米线为基础，其热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率，极大地增大输出电压，具有性能稳定，功率上限高，线性度高等优点。因此基于直接加热式垂直纳米微波功率传感器作为功率检测的基础模块的辐射仪具有很好的应用前景。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪，微波信号被微波天线接收后进入低噪声放大器(LNA)，被低噪声放大器放大的微波信号进入六端口悬臂梁耦合器，耦合器的一部分信号从主线耦合输出被用于微波功率的检测，另外一部分信号被耦合出用于微波信号频率的检测，检测功率的器件是新型的直接加热式垂直纳米微波功率传感器，微波频率检测模块和微波功率检测模块的输出分别与放大器连接，后级包括放大器、单片机和液晶显示器的处理电路能够处理并显示辐射信号的功率和辐射信号的频率，以此达到微波辐射仪的制作。本发明使用以多晶硅纳米线为基础的直接加热式垂直纳米微波功率传感器代替传统的二极管作为功率检测的器件，多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率，极大地增大输出电压，辐射仪能够获得较大的灵敏度和较高的线性度，同时达到辐射信号的频率检测，进一步增强了微波辐射仪的功能。
技术方案：本发明的基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪，主要由微波天线、低噪声放大器(LNA)、六端口悬臂梁耦合器、微波频率检测模块、微波功率检测模块、直接加热式垂直纳米微波功率传感器、放大器、单片机和液晶显示器(LCD)组成；
微波天线：用于接收微波信号；
低噪声放大器(LNA)：用于放大微波信号；
六端口悬臂梁耦合器：从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分别相同，经过低噪声放大器放大后的信号通过六端口耦合器的输入端口输入，大部分的信号由第二端口输出到第一直接加热式垂直纳米微波功率传感器，进行微波功率检测；由第三端口和第五端口输出到第三Wilkinson功率合成器的两个输入端口，第三Wilkinson功率合成器的输出端连接第二直接加热式垂直纳米微波功率传感器，第二直接加热式垂直纳米微波功率传感器输出热电压指示出第三Wilkinson功率合成器的输出端微波功率的大小；由第四端口和第六端口耦合出的信号分别与第一Wilkinson功率合成器和第二Wilkinson功率合成器的一个输入端口连接，第一Wilkinson功率合成器和第二Wilkinson功率合成器的另外一个输入端口与参考信号经过Wilkinson功率分配器分配的输出端口相连；第二直接加热式垂直纳米微波功率传感器、第三直接加热式垂直纳米微波功率传感器和第四直接加热式垂直纳米微波功率传感器的输出电压可以决定微波信号的频率；由以上结构，实现了同时对微波信号的功率和频率的检测。其中，六端口悬臂梁耦合器由共面波导，介质层，空气层和横跨在其上方悬臂梁构成；共面波导制作在Si衬底上，锚区制作在共面波导上，悬臂梁的下方沉积介质层，并与空气层、悬臂梁共同构成耦合电容结构，两个悬臂梁之间的共面波导长度为λ/4；
微波频率检测模块：第二直接加热式垂直纳米微波功率传感器、第三直接加热式垂直纳米微波功率传感器和第四直接加热式垂直纳米微波功率传感器的输出电压共同决定微波信号的频率。
微波功率检测模块：检测微波信号的功率。
放大器：放大第一、第二、第三和第四直接加热式垂直纳米微波功率传感器输出的直流信号，并将放大信号输入到单片机中进行处理。
单片机(MCU)：将放大后的直流信号分别转化为辐射强度值和频率值，并显示在液晶显示器上；
液晶显示器(LCD)：显示辐射信号强度值和辐射信号频率值。
有益效果：
1)本发明的基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪使用以多晶硅纳米线为基础的直接加热式垂直纳米微波功率传感器代替传统的二极管作为功率检测的器件，多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率，极大地增大输出电压；同时直接加热式垂直纳米微波功率传感器具有线性度高、温漂小、功率上限高的优势，从而辐射仪能够获得较大的灵敏度和较高的线性度，测量更加准确；
2)本发明的基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪利用六端口耦合器耦合出部分信号做功率检测，并运用相位比较法来测量微波信号的频率，将微波信号的功率、频率两种检测模块集成到一起，实现了同步检测，不仅能够得到微波辐射信号的功率值，还能得到辐射信号的频率值，具有低功耗、低成本、多功能的益处；
附图说明
图1为本发明的基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪的系统框图，
图2为六端口悬臂梁耦合器和直接加热式垂直纳米微波功率传感器的连接示意图，
图3为六端口悬臂梁耦合器的俯视图，
图4为图3中六端口悬臂梁耦合器的AA’方向剖面图，
图5为Wilkinson功率分配/合成器的俯视图，
图6为直接加热式垂直纳米微波功率传感器的俯视图，
图7为图6直接加热式垂直纳米微波功率传感器的AA’方向剖面图，
图中包括：微波天线1，低噪声放大器(LNA)2，六端口悬臂梁耦合器3，六端口悬臂梁耦合器3的第一端口3-1，六端口悬臂梁耦合器3的第二端口3-2，六端口悬臂梁耦合器3的第三端口3-3，六端口悬臂梁耦合器3的第四端口3-4，六端口悬臂梁耦合器3的第五端口3-5，六端口悬臂梁耦合器3的第六端口3-6，微波频率检测模块4，微波功率检测模块5，放大器6，单片机7，液晶显示器(LCD)8，第一Wilkinson功率合成器9-1，第二Wilkinson功率合成器9-2，第三Wilkinson功率合成器9-3，Wilkinson功率分配器11，Wilkinson功率合成器第七端口，Wilkinson功率合成器9的第八端口，Wilkinson功率合成器9的第九端口，第一直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-1，第二直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-2，第三直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-3，第四直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-4，功率分配器11，介质层12，悬臂梁13，共面波导14，二氧化硅层15，锚区16，空气层17，空气桥18，非对称共面带线19，隔离电阻20，n型多晶硅21，CPW地线22，输出电极23，冷端24，热端25，衬底薄膜结构26，聚甲基丙烯酸甲酯27，MIM电容28，多晶硅纳米线簇29，Si衬底30，p型多晶硅31。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪由微波天线1，低噪声放大器2，六端口悬臂梁耦合器3，微波频率检测模块4，微波功率检测模块5，放大器6，单片机7，液晶显示器8级联构成；微波天线1连接低噪声放大器2，低噪声放大器2连接六端口耦合器3的输入端，六端口耦合器3的一号输出端连接微波频率检测模块4，微波频率检测模块4连接放大器6的一号输入端，六端口耦合器3的二号输出端连接微波功率检测模块5，微波功率检测模块5连接放大器6的二号输入端，放大器6的一号、二号输出端分别连接单片机7，单片机7连接液晶显示器8。
如图2所示，微波频率检测模块4由第一Wilkinson功率合成器9-1、第一Wilkinson功率合成器9-2、第三Wilkinson功率合成器9-3、第二直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-2、第三直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-3、第四直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-4以及Wilkinson功率分配器11构成，进行微波频率检测，六端口悬臂梁耦合器3的第三端口3-3和第五端口3-5分别与Wilkinson功率合成器9-3的第八端口和第九端口相连，Wilkinson功率合成器9-3的第七端口与第二直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-2相连，第二直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-2的输出与放大器的输入端相连，六端口悬臂梁耦合器3的第二端口3-2与第一直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-1相连。
如图3和图4所示，六端口悬臂梁耦合器3由共面波导14，介质层12，空气层17和悬臂梁13构成；共面波导14制作在Si衬底30上，悬臂梁13的锚区16制作在共面波导14上，悬臂梁13的下方沉积有介质层12，并与空气层17、悬臂梁13共同构成耦合电容结构，两个悬臂梁13之间的共面波导14长度为λ/4。
如图5所示，Wilkinson功率合成器和Wilkinson功率分配器的拓扑结构相同，Wilkinson功率合成器由共面波导14、非对称共面带线19和空气桥17、隔离电阻20构成，信号从第八端口和第九端口输入为Wilkinson功率合成器，然后从第七端口输出，输出的信号接入第二直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-2。
六端口悬臂梁耦合器3的第一端口3-1到第三端口3-3、第四端口3-4以及第一端口3-1到第五端口3-5、第六端口3-6的功率耦合度分别相同；待测信号经六端口悬臂梁耦合器3的第一端口3-1输入，由第二端口3-2输出到第一直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-1，得到待测信号的功率特性；由第三端口3-3和第五端口3-5分别输出到微波频率检测模块，得到待测信号的频率特性。本发明的辐射仪使用六端口耦合器对主信号进行耦合，实现了同时对微波信号的功率、频率两种微波参量的检测，使用以多晶硅纳米线为基础的直接加热式垂直纳米微波功率传感器代替传统的二极管作为功率检测的器件，多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率，极大地增大输出电压；同时直接加热式垂直纳米微波功率传感器具有线性度高、温漂小、功率上限高的优势，从而辐射仪能够获得较大的灵敏度和较高的线性度，测量更加准确。频率检测和功率检测的原理如下：
频率检测：假设输入功率Pin，则直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-2、第三直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-3和第四直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-4检测到的功率Pf1、Pf2和Pf3可以表示为
其中Sf1表示第一端口3-1到第二直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-2的传输系数，Sf2表示第一端口3-1到第三直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-3的传输系数，Sf3表示第一端口3-1到第四直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-4的传输系数。经过第三Wilkinson功率合成器9-3的合成之后，可表示为：
其中S31为第一端口3-1到第三端口3-3的传输系数，S51为第一端口3-1到第五端口3-5的传输系数。当无参考信号输入时，第四端口3-4处的功率大小是第三直接加热式微波功率传感器10-3测得功率的两倍，第六端口3-6的功率大小是第四直接加热式微波功率传感器10-4测得功率的两倍，从而可以得到如下传输系数：
其中S41为第一端口3-1到第四端口3-4的传输系数，S61为第一端口3-1到第六端口3-6的传输系数。由于第三端口3-3与第四端口3-4的耦合度相同，第五端口3-5与第六端口3-6的耦合度相同，因此由公式(2)和(3)可得：
Sf1＝Sf2+Sf3 (4)
将公式(4)取模可得：
其中表示第三直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-3和第四直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-4之间信号的相位差，化简可得：
将公式(1)代入公式(6)可得：
的值与待测信号频率线性相关，表示为
由公式(6)和(7)可得到频率的表达式：
其中c表示为电磁波在真空中的速度，l表示为第三端口3-3到第五端口3-5的距离，εer表示为Si的相对介电常数。
功率检测：如图2所示微波信号经六端口悬臂梁耦合器3的第二端口3-2连接到第一直接加热式垂直纳米微波功率传感器10-1，利用如图6所示的直接加热式垂直纳米微波功率传感器测得微波信号的功率大小，微波功率从输入端口输入，通过共面波导14输入到由n型多晶硅21和p型多晶硅31构成的并联50欧姆终端电阻被转化成热量，从而在热端25和冷端24之间产生温度差；n型多晶硅21和p型多晶硅31构成热电偶，可以将热端25和冷端24之间的温差转化为热电压从输出电极23输出。根据Seebeck效应，通过测量输出电极23的热电势可知输入微波功率大小；热电偶的热端25背部将衬底减薄构成衬底薄膜结构26以提高检测灵敏度，至此可以测得微波信号的功率大小。
图6是直接加热式垂直纳米微波功率传感器的俯视图；垂直衬底表面的多晶硅纳米线簇29构成了热电偶臂，同时作为终端电阻，多晶硅纳米线簇含有的纳米线数量为50-200，多晶硅纳米线直径为1-100nm，高度为2-10um；为了增加热电堆的稳定性，热电偶之间填充有聚甲基丙烯酸甲酯27；MIM电容28作为隔直电容，起到阻断直流通路和微波通路的作用；此种直接加热式垂直纳米微波功率传感器结构紧密，同时在纳米尺度上实现热电偶的垂直型结构，具有较高的集成密度和较大的输出电压密度。
图7是直接加热式垂直纳米微波功率传感器的AA＇面示意图；
基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪中的六端口耦合器、直接加热式垂直纳米微波功率传感器以及Wilkinson功率合成器的制备方法包括以下几个步骤：
1)准备4英寸高阻Si衬底30，电阻率为4000Ω·cm，厚度为400μm；
2)热生长一层厚度为1.2μm的SiO2层15；
3)采用低压化学气相淀积(LPCDV)工艺生长一层厚度为2μm的多晶硅；
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20；
5)采用LPCVD工艺生长一层二氧化硅作为掩膜层，对多晶硅进行深紫外光刻，形成多晶硅纳米线结构；
6)涂覆一层光刻胶，光刻去除共面波导14、非对称共面带线19、金属互连线输出电极23处的光刻胶；
7)电子束蒸发(EBE)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，剥离形成共面波导14和非对称共面带19的第一层Au、输出电极23以及热电堆金属互连线；
8)旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯27填充热电偶之间的间隙，提高热电堆结构的稳定性；
9)淀积(LPCVD)一层Si3N4，厚度为0.1μm；
10)涂覆一层光刻胶，光刻并保留悬臂梁13下方的光刻胶，干法刻蚀Si3N4，形成介质层12；
11)均匀涂覆一层空气层17并光刻图形，厚度为2μm，保留悬臂梁13下方的聚酰亚胺作为牺牲层；
12)涂覆光刻胶，光刻去除悬臂梁13、锚区16、共面波导14、非对称共面带线19及输出电极23位置的光刻胶；
13)电镀一层厚度为2μm的Au层作为第二层Au；
14)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成悬臂梁13、锚区16、共面波导14、非对称共面带线19及输出电极23；
15)深反应离子刻蚀(DRIE)衬底材料背面，制作薄膜结构26；
16)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。
本发明与现有技术的区别在于：
本发明的基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪使用以多晶硅纳米线为基础的直接加热式垂直纳米微波功率传感器代替传统的二极管作为功率检测的器件，多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率，极大地增大输出电压；同时直接加热式垂直纳米微波功率传感器具有线性度高、温漂小、功率上限高的优势，从而辐射仪能够获得较大的灵敏度和较高的线性度，测量更加准确；
本发明的基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪利用六端口耦合器耦合出部分信号用于测量功率，耦合出另外一部分信号运用相位比较法来测量微波信号的频率，将微波信号的功率、频率两种检测模块集成到一起，实现了同步检测，不仅能够得到微波辐射信号的功率值，还能得到辐射信号的频率值，具有低功耗、低成本、多功能的益处。
满足以上条件的结构即视为本发明的基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪。

Claims (2)

1.一种基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪，其特征在于该辐射仪由微波天线(1)，低噪声放大器(2)，六端口悬臂梁耦合器(3)，微波频率检测模块(4)，微波功率检测和解调模块(5)，放大器(6)，单片机(7)和液晶显示器(8)级联构成；微波天线(1)的输出与低噪声放大器(2)的输入端相连，低噪声放大器(2)的输出端与六端口悬臂梁耦合器(3)的待测信号输入端口(3-1)相连，六端口悬臂梁耦合器(3)的第二端口(3-2)连接第一直接加热式垂直纳米微波功率传感器(10-1)的输入端口，进行微波天线接收信号的功率检测；六端口悬臂梁耦合器(3)的第三端口(3-3)和第五端口(3-5)分别与第三Wilkinson功率合成器(9-3)的第八端口和第九端口相连，第三Wilkinson功率合成器(9-3)的第七端口连接第二直接加热式垂直纳米微波功率传感器(10-2)的输入端口；六端口悬臂梁耦合器(3)的第四端口(3-4)和第六端口(3-6)分别与第一Wilkinson功率合成器(9-1)和第二Wilkinson功率合成器(9-1)的第八端口相连，第一Wilkinson功率合成器(9-1)和第二Wilkinson功率合成器(9-1)的第九端口分别与Wilkinson功率分配器(11)的第八端口和第九端口相连，Wilkinson功率分配器(11)的输入端与参考信号相连，构成相位检测的参考信号从而进行频率检测，第一Wilkinson功率合成器(9-1)和第二Wilkinson功率合成器(9-1)的第七端口分别与第三直接加热式垂直纳米微波功率传感器(10-3)和第四直接加热式垂直纳米微波功率传感器(10-4)相连；经过(10-2)，(10-3)和(10-4)直接加热式垂直纳米微波功率传感器可以分别检测出功率的大小，根据运算可得到微波天线接收到的信号的频率；微波频率检测模块(4)连接放大器(6)的一号输入端，微波功率检测模块(5)连接放大器(6)的二号输入端，放大器(6)的一号、二号输出端分别连接单片机(7)，单片机(7)连接液晶显示器(8)。本发明的基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪使用以多晶硅纳米线为基础的直接加热式垂直纳米微波功率传感器代替传统的二极管作为功率检测的器件，多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电转换效率，极大地增大输出电压；同时直接加热式垂直纳米微波功率传感器具有线性度高、温漂小、功率上限高的优势，从而辐射仪能够获得较大的灵敏度和较高的线性度，测量更加准确。
2.如权利要求1中所述的基于悬臂梁的微纳电子机械系统直接加热式微波辐射仪，其特征在于直接加热式微波功传感器由Si衬底(30)，SiO2层(15)，共面波导(14)，多晶硅纳米线簇(29)，传输线地线(22)，输出电极(23)构成；微波功率通过共面波导(14)输入到由n型多晶硅21和p型多晶硅31并联构成的终端电阻，并被转化成可以测量的热量；多晶硅纳米线簇(29)和聚甲基丙烯酸甲酯(27)构成热电偶的臂，其中多晶硅纳米线簇含有的纳米线数量为50-200，多晶硅纳米线由深紫外光刻形成，直径为1-100nm，高度为2-10um；根据Seebeck效应，通过测量输出电极(23)的热电势可知输入微波功率大小。采用纳米工艺制作的直接式热电偶，具有热电转化效率高的优点，可以大大提高微波检测系统的灵敏度，从而提高检测的精度。
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