CN1294420C

CN1294420C - 在线微波功率微机械传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN1294420C
Application number: CNB2004100646848A
Authority: CN
Inventors: 廖小平; 韩磊
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2004-09-20
Filing date: 2004-09-20
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2024-09-20
Also published as: CN1588098A

Abstract

在线微波功率微机械传感器是一种用于实现在线的微波功率检测的器件，该传感器由微带线定向耦合器、微波功率放大器、微波功率微机械传感器三个部分串联构成；基于GaAs MMIC工艺实现微带线定向耦合器的步骤如下：a.准备GaAs衬底，b.淀积金属并光刻、刻蚀出耦合微带线的接地板，c.淀积介质层，光刻、刻蚀获得耦合微带线的介质层，d.淀积金属并光刻，刻蚀出耦合微带线的导体带即主传输线和副传输线，在获得导体带的同时光刻、刻蚀出微波功率放大器的输入端共面波导及输出端共面波导；微波功率放大器为金属半导体场效应晶体管构成。间接加热终端式微波功率微机械传感器基于GaAsMMIC工艺实现。

Description

在线微波功率微机械传感器及其制造方法

技术领域

本发明是一种用于实现在线的微波功率检测的器件，属于微电子器件制造的技术领域。

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，微波功率的在线测量是必不可少的，它已成为电磁测量的重要组成部分。在微波电路中，伴随着系统频率的升高，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。在许多应用中要求微波器件能与数模电路集成在一起，显然上述小尺寸平面元件能够通过微电子工艺与数模电路集成，而随着微机械加工技术不断发展，它现在也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集成。在线微波功率微机械传感器的三个部分就是分别通过微带线定向耦合器、微波功率放大器和微波功率微机械传感器实现。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种利用微电子工艺制作的在线检测微波功率的在线微波功率微机械传感器及其制造方法。应用该器件可以实现在材料、工艺、可靠性、可重复性和生产成本等诸多方面要求，并且为实现在线功率检测在集成电路中的产业化应用提供了支持和保证。

技术方案：本发明的在线微波功率微机械传感器由微带线定向耦合器、微波功率放大器、微波功率微机械传感器三个部分构成，首先通过微带线定向耦合器的功率耦合取出主传输线上的一小部分功率信号，然后由微波功率放大器将取出的功率放大，最后将放大后的功率信号接入间接加热终端式微波功率微机械传感器，实现在线的微波功率检测。

本发明的在线微波功率微机械传感器利用微电子工艺制作，使得整个器件能够嵌入到微波集成电路中去，实现了微波功率的在线检测，且能够根据不同的指标灵活设计。该传感器由微带线定向耦合器、微波功率放大器、微波功率微机械传感器三个部分串联构成；其中，微带线定向耦合器包括一根主传输线和一根副传输线，副传输线通过输入共面波导与微波功率放大器的输入端相连接，微波功率放大器的输出端通过输出共面波导与微波功率微机械传感器的输入端相连接。

微带线定向耦合器的结构为：底面是GaAs衬底，GaAs衬底上面是接地板，接地板上面是介质层，介质层上面是主传输线和副传输线，其中主传输线为一条直带状，副传输线为“C”形的带状。微波功率放大器为MESFET(金属半导体场效应晶体管)构成。

微波功率微机械传感器采用间接加热终端式微波功率微机械传感器，其结构为：在6aAs(砷化稼)衬底上有很多并排排列的AlGaAs热电极，两AlGaAs热电极之间是SiON(氮氧硅)介质层，AlGaAs热电极的两端与金属热电极之间通过N型GaAs作为粘合层连接形成热电堆，热电堆与最上层的用作终端电阻的NiCr(镍铬合金)金属层之间有一层介质层，在热电堆输出端为直流电压输出压焊块。

基于GaAs MMIC(砷化稼单片微波集成电路)工艺的实现方法如下：

基于GaAs MMIC工艺实现微带线定向耦合器的步骤如下：

a、准备GaAs衬底，

b、淀积金属并光刻、刻蚀出耦合微带线的接地板，

c、淀积介质层，光刻、刻蚀获得耦合微带线的介质层

d、淀积金属并光刻，刻蚀出耦合微带线的导体带即主传输线和副传输线，在获得导体带的同时光刻、刻蚀出微波功率放大器的输入共面波导及输出共面波导；

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的方法为：

1)准备GaAs衬底，

2)在GsAs衬底上淀积GaAs垫层，

3)在GaAs垫层上淀积AlGaAs，

4)对AlGaAs离子注入进行掺杂，

5)在AlGaAs上淀积GaAs，

6)对GaAs离子注入进行掺杂，

7)光刻、刻蚀出AlGaAs热电极及欧姆接触区

8)淀积SiON，光刻、刻蚀出介质层，

9)淀积金属并光刻、刻蚀出金属热电极，

10)淀积介质层

11)在介质层上淀积NiCr金属，并刻蚀获得两个并联的100欧姆的终端电阻。

在线微波功率微机械传感器的结构，区分是否为该结构的标准如下：

1)功率耦合部分是采用微电子工艺制作的微带线定向耦合器实现，该定向耦合器采用耦合微带线结构，具体为底面是GaAs衬底，GaAs衬底上面是接地板，接地板上面是介质层，介质层上面是主传输线和副传输线的结构，如图2所示；

2)功率测量部分是通过间接加热终端式微波功率微机械传感器实现，结构为采用微机械共面波导实现功率的输入，在共面波导终端有与之匹配的终端负载，采用微机械热电堆实现热的测量，热电堆位于终端负载下方，在热电堆与终端负载之间存在高热导率绝缘介质，如图3、4和5所示。

满足以上两个条件的结构即应视为在线微波功率微机械传感器的结构。

有益效果：长期以来由于微波功率微机械传感器结构的特殊性，其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。本发明中的在线微波功率微机械传感器结构，突破了传统的结构和工艺的思维限制，寻找到了基于GaAs MMIC工艺的实现方法，因此使得将整个器件嵌入到微波集成电路中去成为可能。同时，基于GaAs MMIC工艺的实现方法使得器件的可重复性和可靠性都有较大的提高，生产成本大幅降低，且具有线性度好、功率精度高、响应速度快、体积小、设计灵活、可测量较小功率等优点。

基于以上所述在线微波功率微机械传感器的特点，可以看出本发明易于实现器件的高可靠性、高重复性、低生产成本及集成的要求。因此，在线微波功率微机械传感器具有较好的应用价值和广阔的市场潜力。

附图说明

图1是在线微波功率微机械传感器结构示意图。

图2是微带线定向耦合器结构示意图(剖面图，沿图1中A-A剖面)

图3是间接加热终端式微波功率微机械传感器结构示意图(剖面图，沿图1中B-B剖面)

图4是间接加热终端式微波功率微机械传感器结构示意图(剖面图，沿图1中C-C剖面)

图5是间接加热终端式微波功率微机械传感器结构示意图(剖面图，沿图1中D-D剖面)

图6是间接加热终端式微波功率微机械传感器在固定频率条件下，输出与功率的关系示意图。

图7是间接加热终端式微波功率微机械传感器在固定功率条件下，输出与频率的关系示意图。

以上的图中有：微带线定向耦合器1，主传输线11，副传输线12，接地板13，介质层14，GaAs衬底15，匹配负载16；

微波功率放大器2，输入共面波导21，输出共面波导22；

微波功率微机械传感器3，GaAs衬底31，AlGaAs热电极32，SiON介质层33，金属热电极34，粘合层35，介质层36，NiCr金属层37，压焊块38。

具体实施方式

在线微波功率微机械传感器的结构由微带线定向耦合器1、微波功率放大器2、微波功率微机械传感器3三个部分串联构成；其中，微带线定向耦合器1包括一根主传输线11和一根副传输线12，副传输线12通过输入共面波导21与微波功率放大器2的输入端相连接，微波功率放大器2的输出端通过输出共面波导22与微波功率微机械传感器3的输入端相连接。

微带线定向耦合器1的结构为：底面是GaAs衬底15，GaAs衬底15上面是接地板13，接地板13上面是介质层14，介质层14上面是主传输线11和副传输线12，其中主传输线11为一条直带状，副传输线12为“C”形的带状。

微波功率放大器为MESFET(金属半导体场效应晶体管)构成。

微波功率微机械传感器3采用间接加热终端式微波功率微机械传感器，其结构为：在GaAs衬底31上有很多并排排列的AlGaAs热电极32，两热电极32之间是SiON介质层33，在AlGaAs热电极32的两端与金属热电极34之间通过N型GaAs作为粘合层35连接形成热电堆，热电堆与最上层的用作终端电阻的NiCr金属层37之间有一层介质层36，在热电堆输出端为直流电压输出压焊块38。

我们已经设计出了基于GaAs MMIC工艺的在线微波功率微机械传感器的实现方案。实现该器件的具体方法为：

基于GaAs MMIC工艺实现微带线定向耦合器的具体工艺步骤和参数如下：

1)准备GaAs衬底(400μm)

2)淀积金属并光刻、刻蚀出耦合微带线的接地板

3)淀积介质层，光刻、刻蚀获得耦合微带线的介质层

4)淀积金属并光刻、刻蚀出耦合微带线的导体带，具体尺寸由中心频率及耦合度等指标确定，在获得导体带的同时光刻、刻蚀出微波功率放大器的输入共面波导及输出共面波导

基于GaAs MMIC工艺实现微波功率放大器的具体工艺步骤采用GaAsMESFET标准工艺。

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的具体工艺步骤和参数如下：

1)准备GaAs衬底(400μm)

2)淀积GaAs垫层(0.05μm未掺杂)

3)淀积AlGaAs(0.8μm)

4)离子注入进行掺杂(n＝10¹⁷cm^-3)

5)淀积GaAs(0.1μm)

6)离子注入进行掺杂(n＝10¹⁸cm^-3)

7)光刻、刻蚀出AlGaAs热电极及欧姆接触区

8)淀积SiON，光刻、刻蚀出介质层33，

9)淀积金属并光刻、刻蚀出金属热电极

10)淀积介质层，光刻、刻蚀获得电阻与热电堆之间的介质

11)淀积NiCr金属，并刻蚀获得两个并联的100欧姆的终端电阻

除此之外，整个技术方案中还需注意一些问题，其中包括：微带线定向耦合器中的介质厚度和导体带的长度、宽度及间距的尺寸的控制要求非常精确，这对于整个器件在中心频率下的耦合度及隔离度的好坏都具有十分重要的意义；间接加热终端式微波功率微机械传感器中的终端电阻的阻值必须非常精确，所以尺寸的控制非常重要；为了增强间接加热终端式微波功率微机械传感器的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器件来说是十分重要的。

该器件首先通过微带线定向耦合器从主传输线上传输的功率中耦合出一小部分，然后将其送入到微波功率放大器中，得到预定的功率增益，最后将放大后的功率输入到间接加热终端式微波功率微机械传感器中进行测量。该器件具有以下特征：采用微电子工艺制造，易于嵌入到微波集成电路中，体积小，设计灵活，可测量微小功率。基于该结构独创性的发明和该发明的优越特性，我们请求对在线微波功率微机械传感器的结构予以专利保护。

Claims

1、一种在线微波功率微机械传感器，其特征在于该传感器由微带线定向耦合器(1)、微波功率放大器(2)、微波功率微机械传感器(3)三个部分串联构成；其中，微带线定向耦合器(1)包括一根主传输线(11)和一根副传输线(12)，副传输线(12)通过输入共面波导(21)与微波功率放大器(2)的输入端相连接，微波功率放大器(2)的输出端通过输出共面波导(22)与微波功率微机械传感器(3)的输入端相连接；微带线定向耦合器(1)的结构为：底面是接地板(13)，接地板(13)上面是GaAs衬底(15)，介质层(14)上面是主传输线(11)和副传输线(12)，其中主传输线(11)为一条直带状，副传输线(12)为“C”形的带状；微波功率微机械传感器(3)采用间接加热终端式微波功率微机械传感器，其结构为：在GaAs衬底(31)上有很多并排排列的AlGsAs热电极(32)，两热电极(32)之间是SiON介质层(33)，在AlGsAs热电极(32)的两端与金属热电极(34)之间通过N型GaAs作为粘合层(35)连接形成热电堆，热电堆与最上层的用作终端电阻的NiCr金属层(37)之间有一层介质层(36)，在热电堆输出端为直流电压输出压焊块(38)。

2、根据权利要求1所述的在线微波功率微机械传感器，其特征在于微波功率放大器为金属半导体场效应晶体管构成。

3、一种如权利1所述的在线微波功率微机械传感器的制造方法，其特征在于基于砷化稼单片微波集成电路工艺的实现方法如下：

基于GaAs MMIC工艺实现微带线定向耦合器的步骤如下：

a、准备GaAs衬底(15)，

b、淀积金属并光刻、刻蚀出耦合微带线的接地板(13)，

c、淀积介质层，光刻、刻蚀获得耦合微带线的介质层(14)

d、淀积金属并光刻，刻蚀出耦合微带线的导体带即主传输线(11)和副传输线(12)，在获得导体带的同时光刻、刻蚀出微波功率放大器(2)的输入共面波导(21)及输出共面波导(22)；

1)准备GaAs衬底，

2)在GsAs衬底上淀积GaAs垫层，

3)在GaAs垫层上淀积AlGaAs，

4)对AlGaAs离子注入进行掺杂，

5)在AlGaAs上淀积GaAs，

6)对GaAs离子注入进行掺杂，

7)光刻、刻蚀出AlGaAs热电极(32)及欧姆接触区(35)，

8)淀积SiON，光刻、刻蚀出介质层(33)，

9)淀积金属并光刻、刻蚀出金属热电极(34)，

10)淀积介质层(36)，

11)在介质层上淀积NiCr金属，并刻蚀获得两个并联的100欧姆的终端电阻(37)。