CN111044798B - 可在线自检测的mems微波功率传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的可在线自检测的MEMS微波功率传感器，通过将电容式MEMS微波功率传感器和对称热电式MEMS微波功率传感器串联在MIM电容两侧，构成双通道MEMS微波功率传感器；利用分压法，通过向连有标准电阻的压焊块上施加参考电压，即可对负载电阻的阻值进行检测；被检测电阻若处于正常工作状态下，热电堆两侧的负载电阻会分得相同的电压并转化为相同的热量，即热电堆两侧的温差完全由输入的微波功率产生；并且由于在左侧共面波导信号线上设有MIM电容，隔绝MEMS悬臂梁下方的共面波导信号线和后方的共面波导信号线的直流互联，以实现测量微波功率的同时检测负载电阻的功能；该MEMS微波功率传感器具有低损耗、高灵敏度以及具有终端电阻在线自检测的特点。

Description

可在线自检测的MEMS微波功率传感器及制备方法

技术领域

本发明提出了一种可在线自检测的MEMS微波功率传感器及制备方法，属于微电子机械系统（MEMS）的技术领域。

背景技术

在微波技术研究中，微波功率是表征微波信号的一个重要参数。在微波信号的产生、传输及接收各个环节的研究中，微波功率的测量是必不可少的。测量微波功率通常采用微波功率传感器，目前典型的MEMS微波功率传感器主要包括两种：电容式MEMS微波功率传感器和热电式MEMS微波功率传感器。电容式MEMS微波功率传感器是基于微波功率-力-电转换原理的，通过测量电容来表征微波功率的大小，通常适合于较大微波功率的测量。而热电式MEMS微波功率传感器是基于微波功率-热-电转换原理的，更适合于较小的微波功率的检测，它将待测的微波功率通过负载电阻转化为热，基于Seebeck效应，利用热电堆将产生的热转化为直流热电压，该直流热电压与待测的微波功率具有线性关系。通过对热电式微波功率传感器的应用调研发现，为了实时表征微系统中微波功率大小，要求该微波功率传感器长期处于工作状态，使得负载电阻长期发热，这加速了负载电阻的老化，导致其阻值不断增大，引起负载电阻和端口传输线之间的阻抗失配，从而导致热电式微波功率传感器的性能严重劣化。特别是，当待测的微波功率很大时，负载电阻的产热量很大，负载电阻温度很高，这可能会烧坏负载电阻，从而导致热电式微波功率传感器不工作；这些严重影响了热电式微波功率传感器测量结果的有效性。因此，迫切需要研制一种新型MEMS微波功率传感器，一方面能够实时测量出小功率和大功率的微波信号，另一方面当MEMS微波功率传感器处于工作状态时能够在线自检测负载电阻的阻值，根据阻值测量结果实时判断该微波功率传感器是否处于正常工作状态。随着RF MEMS技术的深入研究，基于RF MEMS技术开发实现上述功能的MEMS微波功率传感器成为可能。

发明内容

技术问题： 为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出了一种可在线自检测的MEMS微波功率传感器及制备方法，该MEMS微波功率传感器采用全无源结构构成；通过在一个对称热电式MEMS微波功率传感器的左侧的共面波导（CPW）信号线上引出两根金属连接线，其中一根金属连接线串联标准电阻并与外部压块一相连接，另一根通过金属连接线与外部压块二直接相连接；对称热电式MEMS微波功率传感器的右侧的CPW信号线通过一根金属连接线与另一个标准电阻相串联并与外部压块一，从而构成了具有负载电阻在线自检测功能的对称热电式MEMS微波功率传感器；在外部压块一上施加直流参考电压，利用分压法，通过外部压块二测得负载电阻的分压，即可对负载电阻的阻值进行检测；与此同时，对称热电式MEMS微波功率传感器的另一侧的CPW信号线上会分得相同的电压，引起热电堆两侧的负载电阻消耗相同的直流功率并产生相同的热量，即直流参考电压引起热电堆两侧的温度变化量相同，因而热电堆两侧的温差仍然是由待测的微波功率引起的，而不受直流参考电压的影响，从而实现了当测量微波功率时在线自检测负载电阻的功能；一个电容式MEMS微波功率传感器放置在对称热电式MEMS微波功率传感器的左侧，其中MEMS悬臂梁横跨CPW信号线和其信号线下侧的地线，MEMS悬臂梁的锚区固定在信号线下侧的地线的外侧，在MEMS悬臂梁下方CPW信号线的附近放置一个传感电极，在MEMS悬臂梁下方的传感电极、CPW信号线和地线上覆盖一层Si₃N₄绝缘介质层；当微波信号传输至电容式MEMS微波功率传感器时，由于静电效应，在MEMS悬臂梁与CPW信号线之间产生静电力，使得MEMS悬臂梁的高度减小，进而改变MEMS悬臂梁和传感电极之间的电容值，从而通过测量该电容的变化量，可间接测量出待测微波功率的大小；电容式与热电式两种MEMS微波功率传感器通过CPW信号线上一个金属-绝缘层-金属(MIM)电容相连接，MIM电容能够传输微波信号，但阻断了电容式与热电式两种MEMS微波功率传感器的CPW信号线上的直流电连接，从而保证了电容式MEMS微波功率传感器中电容变化量完全是由待测微波功率引起的；因而，本发明提出的MEMS微波功率传感器具有负载电阻在线自检测、功率测量范围大和灵敏度高的特点。

技术方案： 本发明的可在线自检测的MEMS微波功率传感器采用硅（Si）为衬底，在硅衬底上设有CPW、对称热电式MEMS微波功率传感器、两个标准电阻、压焊块、金属连接线、电容式MEMS微波功率传感器、MIM电容以及空气桥:

CPW水平放置在衬底上，用于实现微波信号的传输；所述的CPW是由一条信号线和两条地线组成，其中地线位于信号线的两侧。为了实现端口与外界的微波匹配，CPW端口的特征阻抗通常设计为50Ω。

所述的对称热电式MEMS微波功率传感器主要是由两段CPW、四个负载电阻、一个热电堆、两个压焊块和两个MEMS衬底膜结构组成；热电堆位于对称热电式MEMS微波功率传感器的中间，在热电堆的两侧水平对称放置两段CPW，四个相同的负载电阻两两并联于两段CPW的输出端，其中负载电阻不与热电堆接触；每个负载电阻的阻值为100Ω，热电堆是由几对热电偶串联而成的；当热电堆两侧的负载电阻消耗的功率不相等时，即热电堆两侧的负载电阻所产生的热量不相等，热电堆靠近具有较高温度的负载电阻的一端称为热电堆的热端，而另一端则称为热电堆的冷端；由于热电堆的热冷两端的温度不同，基于Seebeck效应，在热电堆的压焊块上产生热电压；为了改善热量从负载电阻至热电堆两端的传热效率，通过体刻蚀衬底技术，在热电堆的冷热两端和负载电阻下方对称地减薄刻蚀硅衬底，形成两个MEMS衬底膜结构；热电堆是由金和N型掺杂多晶硅构成的。

两个相同的标准电阻的一端分别通过金属连接线与对称热电式MEMS微波功率传感器两侧的CPW信号线相连，这两个标准电阻的另一端共同连接至外部压块一，该外部压块一用于施加直流参考电压；其中，每个标准电阻的阻值为50Ω；热电堆左侧的两个负载电阻作为被检测电阻，将其左侧的CPW信号线再通过一根金属连接线连接至外部压块二，利用分压法，可测量外部压块二上电压的大小，进而在该传感器工作时可测量出热电堆左侧的负载电阻的阻值，从而实现了热电式MEMS微波功率传感器的负载电阻在线自检测功能。

所述的电容式MEMS微波功率传感器是主要由CPW、一个MEMS悬臂梁、一个传感电极以及压焊块构成的。MEMS悬臂梁横跨在CPW信号线和其信号线下侧的地线的上方，MEMS悬臂梁的一端通过锚区固定在CPW信号线下侧的地线外侧而另一端处于自由状态；MEMS悬臂梁的锚区通过一根金属连接线与CPW地线外侧的压焊块相连接；在MEMS悬臂梁的自由端下方放置一个传感电极，该传感电极通过另一根金属连接线与CPW信号线上侧的地线外侧的一压焊块相连接；在MEMS悬臂梁下方的CPW信号线、CPW地线和传感电极上覆盖一层Si₃N₄绝缘介质层。

MIM电容位于热电式MEMS微波功率传感器和电容式MEMS微波功率传感器之间；MIM电容的上极板为电容式MEMS微波功率传感器的CPW信号线而其下极板为热电式MEMS微波功率传感器的CPW信号线，其中上下极板之间通过Si₃N₄绝缘介质层隔开。

所述的空气桥用于实现被金属连接线分开的CPW地线间的互连，在空气桥下方的金属连接线上覆盖Si₃N₄绝缘介质层。

在机械结构上，CPW、负载电阻、热电堆、MEMS衬底膜结构、压焊块、连接线、标准电阻、MEMS悬臂梁、传感电极以及空气桥在同一块硅衬底上。

本发明的一种具有负载电阻在线自检测功能的MEMS微波功率传感器，通过一个MIM电容将电容式MEMS微波功率传感器和热电式MEMS微波功率传感器相连接，从而构成了一种双通道的MEMS微波功率传感器；在电容式MEMS微波功率传感器中，MEMS悬臂梁悬浮于CPW信号线和传感电极上方，MEMS悬臂梁与传感电极之间构成一个测试电容结构；当微波信号传输至电容式MEMS微波功率传感器时，由于静电效应，在MEMS悬臂梁与CPW信号线之间产生静电力，使得MEMS悬臂梁的高度减小，进而改变MEMS悬臂梁和传感电极之间的电容值，从而通过测量该电容的变化量，可间接测量出待测微波功率的大小；当微波信号传输至热电式MEMS微波功率传感器时，负载电阻消耗功率并将其转化为热量，引起负载电阻周围温度的升高，放置在负载电阻附近的热电堆探测出这种温度变化，基于Seebeck效应，转化为输出热电压；电容式MEMS微波功率传感器是基于微波功率-力-电转换原理，使得其更适用于测量较大的输入微波功率，而热电式MEMS微波功率传感器是基于微波功率-热-电转换原理，使得其更适用于测量较小的输入微波功率；两个相同的标准电阻的一端分别通过金属连接线与对称热电式MEMS微波功率传感器两侧的CPW信号线相连，这两个标准电阻的另一端共同连接至外部压块一，该外部压块一用于施加直流参考电压；热电堆左侧的两个负载电阻作为被检测电阻，将其左侧的CPW信号线再通过一根金属连接线连接至外部压块二，利用分压法，可测量外部压块二上电压的大小，进而在该传感器工作时测量出热电堆左侧的负载电阻的阻值；值得注意的是，被检测电阻若处于正常工作状态下，热电堆两侧的负载电阻会分得相同的电压并转化为相同的热量，即热电堆两侧的温差完全是由待测微波功率引起的；并且，由于在电容式MEMS微波功率传感器和热电式MEMS微波功率传感器之间设有MIM电容，阻断了电容式MEMS微波功率传感器的CPW信号线和热电式MEMS微波功率传感器的CPW信号线之间的直流电连接，所以外界施加在外部压块一上的直流参考电压不会引起这两种级联的MEMS微波功率传感器的测量结果发生变化，因此本发明提出的MEMS微波功率传感器可以在对微波功率检测的同时对负载电阻进行在线自检测。

本发明的一种具有负载电阻在线自检测功能的MEMS微波功率传感器的制备方法为：

（1）准备硅衬底：选用400μm厚的高阻硅作为衬底，其电阻率≥4kΩ·cm；

（2）热氧化SiO₂介质层：在硅衬底上生长一层0.5μm厚的SiO₂层；

（3）沉积多晶硅并N型注入：通过化学气相沉积方式在硅衬底上淀积一层多晶硅，并进行N型离子注入，掺杂浓度为10²⁰cm^-3量级；

（4）光刻多晶硅：涂覆光刻胶，去除热电堆的半导体臂以外区域的光刻胶，刻蚀多晶硅，而后去除光刻胶；

（5）涂覆光刻胶并去除预备制作负载电阻和标准电阻处的光刻胶；

（6）沉积TaN：沉积TaN形成负载电阻和标准电阻，剥离步骤（5）留下的光刻胶，连带去除光刻胶上面的TaN，形成负载电阻和标准电阻；

（7）溅射并光刻Cr/Au层：涂覆光刻胶，去除预备制作CPW、金属连接线、传感电极、热电堆的金属臂和压焊块地方的光刻胶，溅射Cr/Au，厚度为0.44μm，而后去除光刻胶，初步形成CPW、部分金属连接线和压焊块结构，完全形成热电堆的金属臂、MEMS悬臂梁下方的CPW信号线和地线、传感电极和另一部分金属连接线；

（8）沉积并光刻Si₃N₄绝缘介质层：通过等离子增强型化学气相沉积工艺生长一层2300Å厚的Si₃N₄绝缘介质层，光刻Si₃N₄绝缘介质层，保留在传感电极、空气桥下方的连接线以及MEMS悬臂梁下方的CPW信号线和地线上的Si₃N₄绝缘介质层；

（9）沉积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在前面步骤处理得到的硅衬底上涂覆一层1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留空气桥和MEMS悬臂梁下方的聚酰亚胺牺牲层；

（10）蒸发种子层：通过蒸发的方式生长用于电镀的种子层，蒸发钛/金/钛，作为种子层，其厚度为500/1500/300Å；

（11）涂覆光刻胶，去除预备制作CPW、MEMS悬臂梁、空气桥、部分连接线和压焊块上的光刻胶；

（12）电镀金：电镀一层厚度为3μm的金，并去除残留的光刻胶；

（13）反刻钛/金/钛：腐蚀钛/金/钛种子层，完全形成CPW、MEMS悬臂梁、空气桥、部分连接线和压焊块；

（14）在硅衬底的背面涂覆光刻胶，去除预备在硅衬底的背面形成MEMS衬底膜结构的光刻胶；

（15）衬底反向刻蚀：在热电堆的热端和负载电阻下方刻蚀掉390μm厚的硅衬底，保留10μm厚的硅衬底，形成MEMS衬底膜结构；

（16）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁和空气桥下方的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

有益效果：

（1）在结构设计中，基于标准电阻的分压结构实现了对负载电阻阻值的自检测；由于对称热电式MEMS微波功率传感器两侧同时消耗相同的直流功率，且位于电容式MEMS微波功率传感器和热电式MEMS微波功率传感器之间的MIM电容阻断了其两侧CPW信号线的直流电连接，所以外界施加在外部压块一上的直流参考电压不会引起这两种级联的MEMS微波功率传感器的测量结果发生变化，因此本发明提出的MEMS微波功率传感器可以在对微波功率检测的同时对负载电阻进行在线自检测。

（2）在结构中，采用电容式MEMS微波功率传感器和对称热电式MEMS微波功率传感器级联的方式，前者更适合于测量功率较大的微波信号，后者更适合于测量功率较小的微波信号，显著提高了微波功率测量范围。

（3）由于该MEMS微波功率传感器是基于CPW结构，该功率传感器在更高频段具有更低的回波损耗，并且由于信号线和地线在同一平面上，便于串并联其它器件。

附图说明

图1是具有负载电阻在线自检测功能的MEMS微波功率传感器的示意图；

图2是具有负载电阻在线自检测功能的MEMS微波功率传感器的A-A剖面图；

图3是具有负载电阻在线自检测功能的MEMS微波功率传感器的B-B剖面图；

图中包括：CPW1，MEMS悬臂梁2，Si₃N₄绝缘介质层3，压焊块4，空气桥5，传感电极6，标准电阻7，金属连接线8，对称热电式MEMS微波功率传感器9，热电堆10，负载电阻11，热电堆的金属臂12，热电堆的半导体臂13，MEMS衬底膜结构14，硅衬底15，MIM电容16，压块一17，压块二18。

具体实施方案

本实施例的可在线自检测的MEMS微波功率传感器，包括衬底15，CPW1水平放置在硅衬底15上，用于实现微波信号的传输；所述的CPW1是由一条信号线和两条地线组成，其中地线位于信号线的两侧。为了实现端口与外界的微波匹配，CPW1端口的特征阻抗通常设计为50Ω。

所述的对称热电式MEMS微波功率传感器主要是由两段CPW1、四个负载电阻11、一个热电堆10、两个压焊块4和两个MEMS衬底膜结构14组成；热电堆10位于对称热电式MEMS微波功率传感器9的中间，在热电堆10的两侧水平对称放置两段CPW 1，四个相同的负载电阻11两两并联于两段CPW 1的输出端，其中负载电阻11不与热电堆10接触；每个负载电阻11的阻值为100Ω，热电堆10是由几对热电偶串联而成的；当热电堆10两侧的负载电阻11消耗的功率不相等时，即热电堆10两侧的负载电阻11所产生的热量不相等，热电堆10靠近具有较高温度的负载电阻11的一端称为热电堆10的热端，而另一端则称为热电堆10的冷端；由于热电堆10的热冷两端的温度不同，基于Seebeck效应，在热电堆10的压焊块4上产生热电压；为了改善热量从负载电阻11至热电堆10两端的传热效率，通过体刻蚀衬底技术，在热电堆10的冷热两端和负载电阻下方对称地减薄刻蚀硅衬底，形成两个MEMS衬底膜结构14；热电堆10是由金和N型掺杂多晶硅构成的。

两个相同的标准电阻7的一端分别通过金属连接线8与对称热电式MEMS微波功率传感器9两侧的CPW1信号线相连，这两个标准电阻7的另一端共同连接至外部压块一17，该外部压块一17用于施加参考直流电压；其中，每个标准电阻7的阻值为50Ω；热电堆10左侧的两个负载电阻11作为被检测电阻，将其左侧的CPW1信号线再通过一根金属连接线8连接至外部压块二18，利用分压法，可测量外部压块二18上电压的大小，进而在该传感器工作时可测量出热电堆10左侧的负载电阻11的阻值，从而实现了热电式MEMS微波功率传感器的负载电阻11在线自检测功能。所述的电容式MEMS微波功率传感器是主要由CPW1、一个MEMS悬臂梁2、一个传感电极6以及压焊块4构成的。

MEMS悬臂梁2横跨在CPW1信号线和其信号线下侧的地线的上方，MEMS悬臂梁2的一端通过锚区固定在CPW1信号线下侧的地线外侧而另一端处于自由状态；MEMS悬臂梁2的锚区通过一根金属连接线8与CPW1地线外侧的压焊块4相连接；在MEMS悬臂梁2的自由端下方放置一个传感电极6，该传感电极6通过另一根金属连接线8与CPW1信号线上侧的地线外侧的一压焊块4相连接；在MEMS悬臂梁2下方的CPW1信号线、CPW1地线和传感电极6上覆盖一层Si₃N₄绝缘介质层3。

MIM电容16位于热电式MEMS微波功率传感器和电容式MEMS微波功率传感器之间；MIM电容16的上极板为电容式MEMS微波功率传感器的CPW1信号线而其下极板为热电式MEMS微波功率传感器的CPW1信号线，其中上下极板之间通过Si₃N₄绝缘介质层3隔开。

所述的空气桥5用于实现被金属连接线8分开的CPW1地线间的互连，在空气桥5下方的金属连接线8上覆盖Si₃N₄绝缘介质层3。

在机械结构上，CPW1、负载电阻11、热电堆10、MEMS衬底膜结构14、压焊块4、金属连接线8、标准电阻7、MEMS悬臂梁2、传感电极6以及空气桥5在同一块硅衬底15上。

本发明的一种具有负载电阻11在线自检测功能的MEMS微波功率传感器，通过一个MIM电容16将电容式MEMS微波功率传感器和热电式MEMS微波功率传感器相连接，从而构成了一种双通道的MEMS微波功率传感器；在电容式MEMS微波功率传感器中，MEMS悬臂梁2悬浮于CPW1信号线和传感电极6上方，MEMS悬臂梁2与传感电极6之间构成一测试电容结构；当微波信号传输至电容式MEMS微波功率传感器时，由于静电效应，在MEMS悬臂梁2与CPW1信号线之间产生静电力，使得MEMS悬臂梁2的高度减小，进而改变MEMS悬臂梁2和传感电极6之间的电容值，从而通过测量该电容的变化量，可间接测量出待测微波功率的大小；当微波信号传输至热电式MEMS微波功率传感器时，负载电阻1消耗功率并将其转化为热量，引起负载电阻1周围温度的升高，放置在负载电阻1附近的热电堆10探测出这种温度变化，基于Seebeck效应，转化为输出热电压；电容式MEMS微波功率传感器是基于微波功率-力-电转换原理，使得其更适用于测量较大的输入微波功率，而热电式MEMS微波功率传感器是基于微波功率-热-电转换原理，使得其更适用于测量较小的输入微波功率；两个相同的标准电阻7的一端分别通过金属连接线8与对称热电式MEMS微波功率传感器两侧的CPW1信号线相连，这两个标准电阻7的另一端共同连接至外部压块一17，该外部压块一17用于施加参考直流电压；热电堆10左侧的两个负载电阻11作为被检测电阻，将其左侧的CPW信号线再通过一根金属连接线8连接至外部压块二18，利用分压法，可测量外部压块二18上电压的大小，进而在该传感器工作时可测量出热电堆10左侧的负载电阻11的阻值；值得注意的是，被检测电阻若处于正常工作状态下，热电堆10两侧的负载电阻11会分得相同的电压并转化为相同的热量，即热电堆10两侧的温差完全是由待测微波功率引起的；并且，由于在电容式MEMS微波功率传感器和热电式MEMS微波功率传感器之间设有MIM电容16，阻断了电容式MEMS微波功率传感器的CPW1信号线和热电式MEMS微波功率传感器的CPW1信号线之间的直流电连接，所以外界施加在外部压块一17上的直流参考电压不会引起这两种级联的MEMS微波功率传感器的测量结果发生变化，因此本发明提出的MEMS微波功率传感器可以在微波功率检测时对负载电阻11进行在线自检测。

本发明的一种可在线自检测的MEMS微波功率传感器的制备方法为：

（1）准备硅衬底：选用400μm厚的高阻硅作为衬底，其电阻率≥4kΩ·cm；

（2）热氧化SiO₂介质层：在硅衬底15上生长一层0.5μm厚的SiO₂层；

（3）沉积多晶硅并N型注入：通过化学气相沉积方式在硅衬底上淀积一层多晶硅，并进行N型离子注入，掺杂浓度为10²⁰cm^-3量级；

（4）光刻多晶硅：涂覆光刻胶，去除热电堆的半导体臂13以外区域的光刻胶，刻蚀多晶硅，而后去除光刻胶；

（5）涂覆光刻胶并去除预备制作负载电阻11和标准电阻7处的光刻胶；

（6）沉积TaN：沉积TaN形成负载电阻11和标准电阻7，剥离步骤5留下的光刻胶，连带去除光刻胶上面的TaN，形成负载电阻11和标准电阻7；

（7）溅射并光刻Cr/Au层：涂覆光刻胶，去除预备制作CPW1、金属连接线8、传感电极6、热电堆的金属臂12和压焊块地方的光刻胶，溅射Cr/Au，厚度为0.44μm，而后去除光刻胶，初步形成CPW1、部分金属连接线8和压焊块4结构，完全形成热电堆的金属臂12、MEMS悬臂梁2下方的CPW1信号线和地线、传感电极6和另一部分金属连接线8；

（8）沉积并光刻Si₃N₄绝缘介质层：通过等离子增强型化学气相沉积工艺生长一层2300Å厚的Si₃N₄绝缘介质层，光刻Si₃N₄绝缘介质层，保留在传感电极、空气桥下方的连接线以及MEMS悬臂梁下方的CPW信号线和地线上的Si₃N₄绝缘介质层；

（9）沉积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在前面步骤处理得到的硅衬底上涂覆一层1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留空气桥和MEMS悬臂梁下方的聚酰亚胺牺牲层；

（10）蒸发种子层：通过蒸发的方式生长用于电镀的种子层，蒸发钛/金/钛，作为种子层，其厚度为500/1500/300Å；

（11）涂覆光刻胶，去除预备制作CPW、MEMS悬臂梁、空气桥、部分连接线和压焊块上的光刻胶；

（12）电镀金：电镀一层厚度为3μm的金，并去除残留的光刻胶；

（13）反刻钛/金/钛：腐蚀钛/金/钛种子层，完全形成CPW、MEMS悬臂梁、空气桥、部分连接线和压焊块；

（14）在硅衬底的背面涂覆光刻胶，去除预备在硅衬底的背面形成MEMS衬底膜结构的光刻胶；

（15）衬底反向刻蚀：在热电堆的热端和负载电阻下方刻蚀掉390μm厚的硅衬底，保留10μm厚的硅衬底，形成MEMS衬底膜结构；

（16）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁和空气桥下方的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

Claims (4)

1.一种可在线自检测的MEMS微波功率传感器，其特征在于：包括硅衬底（15）及设置在硅衬底（15）上的CPW（1）、对称热电式MEMS微波功率传感器、两个标准电阻（7）、压焊块（4）、金属连接线（8）、电容式MEMS微波功率传感器、MIM电容（16）以及空气桥（5）；所述的对称热电式MEMS微波功率传感器包括两段CPW（1）、四个负载电阻（11）、一个热电堆（10）、两个压焊块（4）和两个MEMS衬底膜结构（14）；所述热电堆（10）位于对称热电式MEMS微波功率传感器的中间，在热电堆（10）的两侧水平对称放置两段CPW（1），四个相同的负载电阻（11）两两并联于两段CPW（1）的输出端，其中负载电阻（11）不与热电堆（10）接触；在热电堆的冷热两端和负载电阻（11）下方对称地减薄刻蚀硅衬底（15），形成两个MEMS衬底膜结构（14）；两个相同的标准电阻（7）的一端分别通过金属连接线（8）与对称热电式MEMS微波功率传感器两侧的CPW（1）信号线相连，这两个标准电阻（7）的另一端共同连接至外部压块一（17），将对称热电式MEMS微波功率传感器左侧的CPW（1）信号线再通过一根金属连接线（8）连接至外部压块二（18）；电容式MEMS微波功率传感器的MEMS悬臂梁（2）横跨在CPW（1）信号线和其信号线下侧的地线上方，MEMS悬臂梁（2）的一端通过锚区固定在CPW（1）信号线下侧的地线外侧而另一端处于自由状态；MEMS悬臂梁（2）的锚区通过一根金属连接线（8）与CPW（1）地线外侧的压焊块（4）相连接；在MEMS悬臂梁（2）的自由端下方放置一个传感电极（6），该传感电极（6）通过另一根金属连接线（8）与CPW（1）信号线上侧的地线外侧的一压焊块（4）相连接；在MEMS悬臂梁（2）下方的CPW（1）信号线、CPW（1）地线和传感电极（6）上覆盖一层Si₃N₄绝缘介质层（3）；电容式MEMS微波功率传感器和热电式MEMS微波功率传感器通过MIM电容（16）相连接。

2.根据权利要求1所述的可在线自检测的MEMS微波功率传感器，其特征在于MIM电容（16）的上极板为电容式MEMS微波功率传感器的CPW（1）信号线而其下极板为热电式MEMS微波功率传感器的CPW（1）信号线，其中上下极板之间通过Si₃N₄绝缘介质层（3）隔开。

3.根据权利要求1所述的可在线自检测的MEMS微波功率传感器，其特征在于：四个负载电阻（11）是相同的；两个标准电阻（7）是相同的。

4.一种权利要求1-3之一所述的可在线自检测的MEMS微波功率传感器的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

（1）准备硅衬底：选用400μm厚的高阻硅作为衬底，其电阻率≥4kΩ·cm；

（2）热氧化SiO₂介质层：在硅衬底（15）上生长一层0.5μm厚的SiO₂层；

（3）沉积多晶硅并N型注入：通过化学气相沉积方式在硅衬底上淀积一层多晶硅，并进行N型离子注入，掺杂浓度为10²⁰cm^-3量级；

（4）光刻多晶硅：涂覆光刻胶，去除热电堆的半导体臂（13）以外区域的光刻胶，刻蚀多晶硅，而后去除光刻胶；

（5）涂覆光刻胶并去除预备制作负载电阻（11）和标准电阻（7）处的光刻胶；

（6）沉积TaN：沉积TaN形成负载电阻（11）和标准电阻（7），剥离步骤（5）留下的光刻胶，连带去除光刻胶上面的TaN，形成负载电阻（11）和标准电阻（7）；

（7）溅射并光刻Cr/Au层：涂覆光刻胶，去除预备制作CPW（1）、金属连接线（8）、传感电极（6）、热电堆的金属臂（12）和压焊块地方的光刻胶，溅射Cr/Au，厚度为0.44μm，而后去除光刻胶，初步形成CPW（1）、部分金属连接线（8）和压焊块（4）结构，完全形成热电堆的金属臂（12）、MEMS悬臂梁（2）下方的CPW（1）信号线和地线、传感电极（6）和另一部分金属连接线（8）；

（8）沉积并光刻Si₃N₄绝缘介质层：通过等离子增强型化学气相沉积工艺生长一层2300Å厚的Si₃N₄绝缘介质层，光刻Si₃N₄绝缘介质层，保留在传感电极、空气桥下方的连接线以及MEMS悬臂梁下方的CPW信号线和地线上的Si₃N₄绝缘介质层；

（9）沉积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在前面步骤处理得到的硅衬底上涂覆一层1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留空气桥和MEMS悬臂梁下方的聚酰亚胺牺牲层；

（10）蒸发种子层：通过蒸发的方式生长用于电镀的种子层，蒸发钛/金/钛，作为种子层，其厚度为500/1500/300Å；

（11）涂覆光刻胶，去除预备制作CPW、MEMS悬臂梁、空气桥、部分连接线和压焊块上的光刻胶；

（12）电镀金：电镀一层厚度为3μm的金，并去除残留的光刻胶；

（13）反刻钛/金/钛：腐蚀钛/金/钛种子层，完全形成CPW、MEMS悬臂梁、空气桥、部分连接线和压焊块；

（14）在硅衬底的背面涂覆光刻胶，去除预备在硅衬底的背面形成MEMS衬底膜结构的光刻胶；

（15）衬底反向刻蚀：在热电堆的热端和负载电阻下方刻蚀掉390μm厚的硅衬底，保留10μm厚的硅衬底，形成MEMS衬底膜结构；

（16）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁和空气桥下方的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

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