CN1212520C - 半导体热电偶型微波功率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体热电偶型微波功率传感器，包括：硅衬底(26)；在该硅衬底中选择性扩散N⁺硅而形成的N⁺硅低阻通道(30)；在所述硅衬底上制备的绝缘保护层(25)；设置在该绝缘保护层上的微波吸收电阻(24)以及第一金属电极(21)、第二金属电极(22)和第三金属电极(23)；在所述第一、第二和第三金属电极之间分别开有穿通所述硅衬底和所述绝缘保护层的沟槽(29)，形成隔离的桥形微波吸收通路和热偶通路。本发明能提高传感器灵敏度，减小失配误差，改善驻波比。

Description

半导体热电偶型微波功率传感器

技术领域

本发明涉及一种用于进行微波功率测量的微波功率传感器，特别是涉及一种用于进行微波功率测量的热电偶型微波功率传感器。

背景技术

功率测量在电磁测量领域中占有极其重要的地位。在功率测量中采用的传感元件有热敏电阻、热变电阻、薄膜电阻、二极管、热电薄膜、霍尔元件等多种。目前国内采用的传感器只有热敏电阻、热电薄膜等少数几种，存在着可靠性差、精度低、频带窄等问题；半导体热电偶型微波功率传感器具有灵敏度高、频带宽、精度高、响应快、可靠性好、易于批量生产等特点，已广泛应用于国外进口的功率计中，如HP公司生产的435A/8481A热电偶功率计系统，其原理如图1(a)、(b)所示，在P型硅衬底26上选择性扩散N⁺硅30，其上生长SiO₂或Si₃N₄作为绝缘保护层25，再沉积Ta₂N电阻薄膜2及金属引线1和6，形成热电偶。N⁺硅30的一端与Ta₂N电阻接触，形成热电偶的热结点27，另一端与金属引线6接触，形成热电偶的冷结点28。热电偶电阻由N⁺硅电阻和Ta₂N电阻两部分组成，并以Ta₂N电阻为主。微波功率散在热电偶电阻上，产生热量，使热结温度高于冷结，由Seebeck效应(温差电动势效应)在热电偶上产生热电势，该热电势的大小与所吸收的微波功率成正比。通过检测热电势值就能测量出微波功率。为了减小热损耗，将P型硅衬底背面减薄，使热电偶位于5μm厚的硅膜上。热电偶微波功率传感器的灵敏度S定义为单位输入功率P0产生的热电势值U，即

$s=$ $\frac{U}{P_o}---\left(1\right)$

U＝αΔT，α是热电系数，ΔT是硅冷热结温差，P＝(1-r)Po，r是反射率，P是热电偶吸收的功率，(1)式可写为：

$s=\frac{(1-r)\·\mathrm{\α}\·\mathrm{\ΔT}}{P}---\left(2\right)$

ΔT/P是单位吸收功率导致的冷热结温差，与热电偶结构的热传导σ成反比。因此，

$s.\∞(1-r)\·\mathrm{\α}\·\frac{1}{\mathrm{\σ}}---\left(3\right)$

热电偶传感器的响应时间τ与热电偶结构的热容H及热导σ有关。

$\mathrm{\τ}=\frac{H}{\mathrm{\σ}}---\left(4\right)$

由(3)式可知，要提高灵敏度，可以减小反射率r，增加热电系数α，降低热导σ。由(4)式，热导减小会增加响应的时间τ，因此热容H也应相应减小，以保证传感器的响应特性不至于变坏。

硅的热电系数与其杂质浓度有关，也即与其电阻有关。

$\mathrm{\α}=86.3(2+\ln \frac{2.5\×{10}^{19}}{n}+1.5\ln \frac{T}{300})---\left(5\right)$

其中，n是杂质浓度，T是绝对温度。由上式可知，电阻越小，杂质浓度越高，热电系数就越小。对于薄膜的热电偶结构(如图1所示)，为了与微波输入阻抗匹配，就必须限定热电偶总电阻的阻值，但这样一来，硅的掺杂就不能太少，否则硅电阻会增大，而硅的电阻温度系数较大，在大功率情况下，其电阻的变化会影响总的热电偶电阻，导致阻抗失配。因此，该热电偶功率计的灵敏度不高。

发明内容

鉴于以上所述问题的存在，本发明的目的是提供一种具有高灵敏度的半导体热电偶型微波功率传感器。

本发明的半导体热电偶型微波功率传感器，包括：硅衬底；在该该硅衬底中选择性扩散N⁺硅而形成的N⁺硅低阻通道；在所述硅衬底上制备的绝缘保护层；设置在该绝缘保护层上的微波吸收电阻以及第一、第二和第三金属电极；所述N⁺硅低阻通道的一端通过冷结点与所述第三金属电极相连，另一端通过热结点微波吸收电阻与第二金属电极相连，所述微波吸收电阻的一端与所述第一金属电极相连，另一端与所述第二金属电极相连；其特征在于：在所述第一、第二和第三金属电极之间分别开有穿通所述硅衬底和所述绝缘保护层的沟槽，使所述微波吸收通路和所述热偶通路成为隔离的桥形通道。

而且，本发明的半导体热电偶型微波功率传感器，所述微波吸收电阻最好限制在位于所述桥形通道中心区域的微型硅岛上。

而且，本发明的半导体热电偶型微波功率传感器，所述热结点最好设置在所述微波吸收电阻正下方的与所述N⁺硅低阻通道直接接触之处。

而且，本发明的半导体热电偶型微波功率传感器，所述微波吸收电阻最好为Ta₂N电阻。

而且，本发明的半导体热电偶型微波功率传感器，所述绝缘保护层最好为Si₃N₄、Al₂O₃或SiO₂薄膜。

根据本发明的半导体热电偶型微波功率传感器，由于在第一、第二和第三金属电极引线之间分别开有穿通硅衬底和绝缘保护层的沟槽，使所述微波吸收通路和所述热偶通路成为隔离的桥形通道，所以能加长热流通路(热偶通路)，加大热流通路的长宽比，增大热阻，减小热传导损耗及热电偶的热容量，控制桥形通道的厚度，还可以控制热电偶的热导及热容，对灵敏度及响应时间进行优化设计。并且，由于微波吸热通路(微波吸收电阻)与热电偶通路(检测热偶电阻)相互分离，使微波吸收电阻完全由具有低电阻温度系数的微波吸收电阻所组成，所以能保证微波吸收电阻在较大的功率范围内与微波输入相匹配，从而能改善传感器驻波比，并且可灵活地选择热电偶电阻来调整灵敏度。利用本发明的半导体热电偶型微波功率传感器，可将传感器灵敏度从原来300μV左右提高到1000μV左右。

而且，由于本发明的半导体热电偶型微波功率传感器可以将微波吸收电阻限制在位于所述桥形通道中心区域的微型硅岛上，所以能使热量更加集中到中心区域，能进一步提高灵敏度。

而且，由于本发明的半导体热电偶型微波功率传感器可以将热结点设置在所述微波吸收电阻正下方的与所述N⁺硅低阻通道直接接触之处，所以能增加转换效率，缩短相应时间，进一步提高灵敏度。此外，这种结构还能减少电磁干扰，增加芯片的机械强度。

附图说明

下面简要说明附图。

图1是现有的薄膜型半导体热电偶型微波功率传感器芯片结构示意图，其中，图1(a)是芯片的正面示意图，图1(b)是热电偶芯片的横向剖面示意图。

图2是本发明的半导体热电偶型微波功率传感器芯片的结构示意图，其中，图2(a)是传感器芯片的正面示意图；图2(b)是传感器芯片的剖面示意图。

具体实施方式

图1是现有的薄膜型半导体热电偶型微波功率传感器芯片结构示意图，其中，图1(a)是芯片的正面示意图，图1(b)是热电偶芯片的横向剖面示意图。如图1(a)、(b)所示，在P型硅8衬底上选择性扩散N⁺硅30，其上生长SiO₂及Si₃N₄作为绝缘保护层25，再沉积Ta₂N电阻薄膜2及金属引线1和6，形成热电偶。N⁺硅30的一端与Ta₂N接触，形成热电偶的热结点27，另一端与金属引线6接触，形成热电偶的冷结点28。热电偶电阻由N⁺硅电阻和Ta₂N电阻两部分组成，并以微波吸收电阻为主。微波功率散在热电偶电阻上，产生热量，使热结温度高于冷结，由Seebeck效应(温差电动势效应)在热电偶上产生热电势，该热电势的大小与所吸收的微波功率成正比。通过检测热电势值就能测量出微波功率。

图2是本发明的半导体热电偶型微波功率传感器芯片结构示意图，只有一个热电偶。图2(a)传感器芯片是正面示意图；图2(b)是芯片剖面示意图。

如图2所示，在硅衬底26中选择性扩散N⁺硅，形成N⁺硅低阻通道30，在硅衬底26上制备绝缘保护层25，选择Si₃N₄、Al₂O₃或SiO₂薄膜等，在该绝缘保护层25上设置微波吸收电阻24以及用Au、Cu或Al等金属材料制成的第一金属电极21、第二金属电极22和第三金属电极引线23，使所述微波吸收电阻24的一端与第一金属电极引线21的向外伸出的细长部分直接连接，另一端与所述第二金属电极引线22的向外伸出的细长部分直接连接，形成微波吸收通路，其阻值由微波吸收电阻24构成。微波吸收电阻24可选用电阻温度系数极小的氮化钽Ta₂N材料等。使N⁺硅低阻通道30的一端通过冷结点28与第三金属电极引线23连接，另一端通过热结点27，再经微波吸收电阻24的一部分与第二金属电极22相连，形成热偶通路。采用MEMS技术将绝缘保护层25的整体薄膜去掉部分区域，在所述第一、第二和第三金属电极引线之间穿通硅衬底26和绝缘保护层25形成沟槽29，使所述微波吸收通路和所述热偶通路成为隔离的桥形通道。将微波吸收电阻24限制在微型硅岛上，通过三根支桥与外电路相连。

对于本发明的半导体热电偶型微波功率传感器，微波功率通过7mm同轴电缆及宝石基底(图中未表示)上的共面波导从第一金属电极引线21输入，第二金属电极引线22接地，从而加热微波吸收电阻24，使微波吸收电阻底下的硅热结点27温度升高，在热电偶冷热结点之间产生温度差，进而产生热电势，从热电偶通路的两端即第二金属电极引线22和第三金属电极引线23之间输出正比于输入微波功率的直流电压，通过检测该热电势即可实现微波功率测量。

本发明的半导体热电偶型微波功率传感器由于采用了MEMS技术将绝缘保护层25的整体薄膜去掉部分区域，在所述第一、第二和第三金属电极引线之间穿通硅衬底26和绝缘保护层25形成沟槽29，使所述微波吸收通路和所述热偶通路成为隔离的桥形通道，所以能加长热流通路(热偶通路)，加大热流通路的长宽比，增大热阻，减小热传导损耗及热电偶的热容量。而且，控制桥形通道的厚度，还可以控制热电偶的热导及热容，对灵敏度及响应时间进行优化设计。

并且，本发明的半导体热电偶型微波功率传感器由于使微波吸热通路(微波吸收电阻)与热电偶通路(检测热偶电阻)相互分离，使微波吸收电阻完全由具有低电阻温度系数的Ta₂N电阻所组成，所以能保证微波吸收电阻在较大的功率范围内与微波输入相匹配，从而能改善传感器驻波比，并且可灵活地选择热电偶电阻来调整灵敏度。利用本发明的半导体热电偶型微波功率传感器，可将传感器灵敏度从原来300μV左右提高到1000μV左右。

而且，由于本发明的半导体热电偶型微波功率传感器还可以将微波吸收电阻限制在位于所述桥形通道中心区域的微型硅岛上，所以能使热量更加集中到中心区域，能进一步提高灵敏度。

而且，由于本发明的半导体热电偶型微波功率传感器可以将热结点设置在所述微波吸收电阻正下方的与所述N⁺硅低阻通道直接接触之处，所以能增加转换效率，缩短相应时间，进一步提高灵敏度。此外，这种结构还能减少电磁干扰，增加芯片的机械强度。

而且，本发明的半导体热电偶型微波功率传感器的所述微型硅岛可以设计成圆形、方形或其他形状，连接微型硅岛的支桥也可以设计成不同的形状、厚度和长宽比，以加大热流通路的长宽比，增大热阻，减小热传导损耗及热电偶的热容量。

以上说明了本发明的实施例，但本发明并不局限于以上所述的具体实施例，凡是符合本发明主旨的各种结构的半导体热电偶型微波功率传感器，都应认为属于本发明的范围。

Claims (7)

1.一种半导体热电偶型微波功率传感器，包括：硅衬底(26)；在该硅衬底中选择性扩散N⁺硅而形成的N⁺硅低阻通道(30)；在所述硅衬底上制备的绝缘保护层(25)；设置在该绝缘保护层上的微波吸收电阻(24)以及第一金属电极(21)、第二金属电极(22)和第三金属电极(23)；

所述微波吸收电阻(24)的一端与所述第一金属电极相连接，另一端与所述第二金属电极相连接，形成微波吸收通路；所述N⁺硅低阻通道的一端通过冷结点(28)与所述第三金属电极相连接，另一端通过热结点(27)，再经微波吸收电阻(24)的一部分与所述第二金属电极相连，形成热偶通路；其特征在于：

在所述第一、第二和第三金属电极之间分别开有穿通所述硅衬底和所述绝缘保护层的沟槽(29)，使所述微波吸收通路和所述热偶通路成为隔离的桥形通道。

2.根据权利要求1所述的半导体热电偶型微波功率传感器，其特征在于：所述微波吸收电阻(24)被限制在位于所述桥形通道中心区域的微型硅岛上。

3.根据权利要求1或2所述的半导体热电偶型微波功率传感器，其特征在于：所述热结点(27)设置在所述微波吸收电阻(24)正下方的与所述N⁺硅低阻通道(30)直接接触之处。

4.根据权利要求1或2所述的半导体热电偶型微波功率传感器，其特征在于：所述微波吸收电阻(24)为Ta₂N电阻。

5.根据权利要求1或2所述的半导体热电偶型微波功率传感器，其特征在于：所述绝缘保护层为Si₃N₄、Al₂O₃或SiO₂薄膜。

6.根据权利要求3所述的半导体热电偶型微波功率传感器，其特征在于：所述微波吸收电阻(24)为Ta₂N电阻。

7.根据权利要求3所述的半导体热电偶型微波功率传感器，其特征在于：所述绝缘保护层为Si₃N₄、Al₂O₃或SiO₂薄膜。

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