CN1275044C

CN1275044C - 间接加热终端式微波功率微机械传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN1275044C
Application number: CN 200410041882
Authority: CN
Inventors: 廖小平; 范小燕
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2024-09-07
Also published as: CN1598600A

Abstract

间接加热终端式微波功率微机械传感器及其制备方法是利用终端负载的形式实现功率-热量-电压的转换方式测得微波功率的微电子机械结构产品及其制备方法，在结构上，衬底上设有共面波导和热电堆，在共面波导和热电堆的内端上面设有终端电阻，在热电堆的外端设有接触垫；制造的方法为：在衬底上外延生长GaAs；同时对AlGaAs进行掺杂；光刻AlGaAs并刻蚀出热偶臂，发金属层Ni/AuGe；光刻并刻蚀金属层；退火，获得接触区；淀积SiON介质层，并光刻、刻蚀获得热电堆中的互连接触孔；淀积金属Au并光刻出共面波导和金属互连线；刻蚀获得终端电阻；光刻、刻蚀介质层，获得终端电阻与热电堆之间的绝缘介质层。

Description

间接加热终端式微波功率微机械传感器及其制备方法

技术领域

本发明是利用终端负载的形式实现功率—热量(温度)—电压的转换方式测得微波功率的微电子机械结构产品及其制备方法，属于微电子器件技术领域。

背景技术

在微波技术研究中，微波功率是表征微波信号特征的一个重要参数。在微波信号的产生、传输及接收等各个环节的研究中，微波功率测量是必不可少的，它已成为电磁测量的重要组成部分。在该领域国内外都有大量研究，但用MEMS(微机电系统技术)研制的微结构微波功率传感器还很少，我国在这方面已有多年的研究。

在通信和集成电路中，越来越高的系统频率对低成本、小型化的微波器件提出了新的要求，而各种传输线如微带线、带状线、共面波导(CPW)等的平面化，使得设计更具灵活性，并能够减小重量、体积和制造成本。在许多应用中要求微波器件能和数模电路进行简单集成，但小尺寸平面元件使得制造更困难、成本更高。随着微机械加工技术不断发展，它现在越来越多地应用到微波领域中，这就使得各种无源微波元件可用微机械加工技术制造，从而实现微波元件与数模电路的简单集成。现在的微波功率测量采用了脱离功率计读出元件的传感器模块。间接加热终端式微波功率微机械传感器就是其中的一种传感器模块。

传统的功率计采用波导形式的热电功率传感器：常用铋—锑作热偶，采用同轴电缆作为传输线，它的主要缺点是响应慢、烧毁水平低、测量高功率时要用到衰减器。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种利用热电转换来测量微波功率的间接加热终端式微波功率微机械传感器及其制备方法。应用该结构可以克服传统波导形式的热电功率传感器的缺点，具有生产成本低、可靠性和可重复性高以及可以进行简单集成等优点。

技术方案：本发明的间接加热终端式微波功率微机械传感器不同于传统的波导形式的热电功率传感器，该结构利用50Ω的微机械共面波导来输入功率，在共面波导终端连接了一个与之匹配的终端电阻，此电阻由两个100Ω的薄膜电阻并联成50Ω，电阻附近是微机械热电堆，它是用来测量吸收了微波功率而发热的终端电阻的热量的，根据热电堆的直流输出电压，我们可以相应地得知输入功率的大小。

在结构上，本发明的间接加热终端式微波功率微机械传感器在衬底上设有共面波导和热电堆，在共面波导和热电堆的内端(该微机械传感器长度方向的两头为外端，其中间为内端)上面设有终端电阻，在热电堆的外端设有接触垫；其中热电堆由热电偶臂、SiON介质、金属互连线、接触区金属所组成，热电偶臂和SiON介质为条状沿该传感器的长度方向相间隔排列，在热电偶臂上设有接触区金属，在SiON介质和接触区金属的上面设有金属互连线；在共面波导和金属互连线内端的上面设有绝缘介质，在绝缘介质的上面设有终端电阻；共面波导与终端电阻相连通。

其中：衬底采用GaAs材料；热电偶臂采用AlGaAs材料。

共面波导有三条金属带，两边的两条金属带分别由共面波导的两边直接与终端电阻相连通：中间的一条金属带通过一个中间通孔与终端电阻相连通。

实现该结构的具体方法为：

1、准备GaAs衬底，

2、在GaAs衬底上外延生长GaAs，作为缓冲层，

3、在GaAs上外延AlGaAs(铝镓砷)，同时对AlGaAs进行掺杂，

4、光刻AlGaAs并刻蚀出热偶臂，

5、发金属层Ni/AuGe(镍/金锗)，

6、光刻并刻蚀金属层，

7、退火，获得接触区，

8、淀积SiON(硅氧氮)介质层，并光刻、刻蚀，获得热电堆中使金属互连线8和接触区9相连接的互连接触孔，

9、淀积金属(Au)并光刻出共面波导和金属互连线，

10、淀积绝缘介质层，

11、淀积金属(比如镍铬合金)，并刻蚀获得终端电阻，

12、光刻、刻蚀介质层，获得终端电阻与热电堆之间的绝缘介质层。

有益效果：长期以来由于微波功率MEMS传感器结构的特殊性，对该类器件的研究开发仅局限于科研领域。微波功率MEMS传感器应用于集成电路的大规模生产存在着与主流工艺不兼容、可重复性可靠性差、生产成本高等一系列障碍。本发明中的间接加热终端式微波功率微机械传感器结构，突破了传统的波导形式的热电功率传感器结构和工艺的思维限制，寻找到了可以与简单数模电路集成的实现方法，可重复性可靠性都有较大的提高，生产成本大幅降低。而且，此传感器具有线性度好，频带范围宽，功率精度高，响应速度快，可测量较小功率等优点。

本发明中的间接加热终端式微波功率微机械传感器不同于传统的波导形式的热电功率传感器，该结构利用50Ω的微机械共面波导来输入功率，在共面波导终端连接了一个与之匹配的终端电阻，此电阻由两个10Ω的薄膜电阻并联成50Ω，电阻附近是微机械热电堆，它是用来测量吸收了功率面发热的终端电阻的热量的，根据热电堆的直流输出电压，我们可以相应地得知输入功率的大小。相比而言，间接加热终端式微波功率微机械传感器具有以下主要特点：一、这种测量方式与输入的频率及波形无关，所以整个器件特别是终端负载与频率无关；二、间接加热终端式微波功率微机械传感器可以采用GaAs MMIC工艺制造，从而实现与数模电路的简单集成。

基于以上间接加热终端式微波功率微机械传感器结构的特点，很明显的可以看出本发明很好的解决了上文中提及的传统的波导形式的热电功率传感器所遇到的各种问题，并易于实现器件的高可靠性、高重复性、低生产成本，很好地满足简单集成的要求。因此，间接加热终端式微波功率微机械传感器结构具有较好的应用价值和广阔的市场潜力。

间接加热终端式微波功率微机械传感器结构为真正实现功率测量结构在集成电路中的产业化应用提供了支持和保证。

附图说明

图1是间接加热终端式微波功率微机械传感器实体结构图。其中有：共面波导1，终端电阻2，热电堆3，接触垫4。

图2是图1中A～A面的剖视图，其中有衬底5，热电偶臂6，SiON介质7，金属互连线8，接触区9，绝缘介质10，

图3是图1中B～B面的局部剖视图。

图4是固定频率条件下，输出与功率的关系图。

图5是固定功率条件下，输出与频率的关系图。

具体实施方式

本发明的间接加热终端式微波功率微机械传感器的具体结构如下：在衬底5上设有共面波导1和热电堆3，在共面波导1和热电堆3的内端上面设有终端电阻2，在热电堆3的外端设有接触垫4；其中热电堆3由热电偶臂6、SiON介质7、金属互连线8、接触区9所组成，热电偶臂6和SiON介质7为条状沿该传感器的长度方向相间隔排列，在热电偶臂6上设有接触区9，在SiON介质7和接触区9的上面设有金属互连线8；在共面波导1和金属互连线8内端的上面设有绝缘介质10，在绝缘介质10的上面设有终端电阻2；共面波导1与终端电阻2相连通。

衬底5采用GaAs材料。热电偶臂6采用AlGaAs材料。

共面波导1有三条金属带，两边的两条金属带分别由共面波导1的两边直接与终端电阻2相连通；中间的一条金属带通过一个中间通孔与终端电阻2相连通。

以我们已经设计出的基于GaAs MMIC工艺的实现方案。基于GaAs MMIC工艺实现间接加热终端式微波功率微机械传感器结构方案的具体工艺步骤和参数如下：

1)准备GaAs衬底(厚400um)

2)在衬底上外延GaAs(0.05um未掺杂)，作为缓冲层

3)在GaAs上外延AlGaAs(铝镓砷)(1um，a＝10¹⁷cm^-3)

4)光刻AlGaAs并刻蚀出热偶臂

5)蒸发金属层Ni/AuGe(镍/金锗)(0.2um)

6)光刻并刻蚀金属层

7)退火，获得欧姆接触区

8)淀积SiON(硅氧氮)介质层，并刻蚀刻蚀，获得热电堆中使金属互连线8和接触区9相连接的互连接触孔，

9)淀积金属(Au)并光刻出共面波导和热电堆互连线

10)淀积绝缘介质层

11)淀积金属(比如NiCr)，并刻蚀获得两个并联的100欧姆的终端电阻

12)光刻、刻蚀介质层，获得电阻与热电堆之间的介质

除此之外，整个技术方案中还需注意一些问题，其中包括：终端电阻的阻值必须非常精确，所以尺寸的控制非常重要。另外，为了增强微机械热电堆的机械稳定性，其非金属臂之间的距离必须是相等的；共面波导的刻蚀表面的粗糙度对共面波导的性能有很大的影响，这就给刻蚀过程提出了比较高的要求，刻蚀效果的好坏对整个传感器来说是十分重要的。

纵观整个实现该间接加热终端式微波功率微机械传感器的工艺过程，其中没有引进任何的复杂特殊的工艺，完全与现有的GaAs MMIC(单片微波集成电路)工艺相兼容。因此，应用本发明中的间接加热终端式微波功率微机械传感器结构可以实现功率测量结构在集成电路中的产业化应用，进而推动整个集成电路产业的发展。

Claims

1、一种间接加热终端式微波功率微机械传感器，其特征在于在衬底(5)上设有共面波导(1)和热电堆(3)，在共面波导(1)和热电堆(3)的内端上面设有终端电阻(2)，在热电堆(3)的外端设有接触垫(4)；其中热电堆(3)由热电偶臂(6)、SiON介质(7)、金属互连线(8)、接触区金属(9)所组成，热电偶臂(6)和SiON介质(7)为条状沿该传感器的长度方向相间隔排列，在热电偶臂(6)上设有接触区金属(9)，在SiON介质(7)和接触区金属(9)的上面设有金属互连线(8)；在共面波导(1)和金属互连线(8)内端的上面设有绝缘介质(10)，在绝缘介质(10)的上面设有终端电阻(2)；共面波导(1)与终端电阻(2)相连通。

2、根据权利要求1所述的间接加热终端式微波功率微机械传感器，其特征在于衬底(5)采用GaAs材料。

3、根据权利要求1所述的间接加热终端式微波功率微机械传感器，其特征在于热电偶臂(6)采用AlGaAs材料。

4、根据权利要求1所述的间接加热终端式微波功率微机械传感器，其特征在于共面波导(1)有三条金属带，两边的两条金属带分别由共面波导(1)的两边直接与终端电阻(2)相连通；中间的一条金属带通过一个中间通孔与终端电阻(2)相连通。

5、一种如权利要求1所述的间接加热终端式微波功率微机械传感器的制备方法，其特征在于实现该结构的具体方法为：

1)准备GaAs衬底(5)，

2)在GaAs衬底上外延生长GaAs，作为缓冲层，

3)在GaAs上外延AlGaAs，同时对AlGaAs进行掺杂，

4)光刻AlGaAs并刻蚀出热偶臂(6)，

5)发金属层Ni/AuGe，

6)光刻并刻蚀金属层，

7)退火，获得接触区

8)淀积SiON介质层，并光刻、刻蚀，获得热电堆中使金属互连线(8)和接触区(9)相连接的互连接触孔，

9)淀积金属Au并光刻出共面波导(1)和金属互连线(8)，

10)淀积绝缘介质层(10)，

11)淀积金属，并刻蚀获得终端电阻(2)，

12)光刻、刻蚀介质层，获得终端电阻与热电堆之间的绝缘介质层(10)。