專利名稱：半導體熱電偶型微波功率傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于進行微波功率測量的微波功率傳感器，特別是涉及一種用于進行微波功率測量的熱電偶型微波功率傳感器。
背景技術：
功率測量在電磁測量領域中占有極其重要的地位。在功率測量中采用的傳感元件有熱敏電阻、熱變電阻、薄膜電阻、二極管、熱電薄膜、霍爾元件等多種。目前國內采用的傳感器只有熱敏電阻、熱電薄膜等少數幾種，存在著可靠性差、精度低、頻帶窄等問題；半導體熱電偶型微波功率傳感器具有靈敏度高、頻帶寬、精度高、響應快、可靠性好、易于批量生產等特點，已廣泛應用于國外進口的功率計中，如HP公司生產的435A/8481A熱電偶功率計系統，其原理如圖1(a)、(b)所示，在P型硅襯底26上選擇性擴散N+硅30，其上生長SiO2或Si3N4作為絕緣保護層25，再沉積Ta2N電阻薄膜2及金屬引線1和6，形成熱電偶。N+硅30的一端與Ta2N電阻接觸，形成熱電偶的熱結點27，另一端與金屬引線6接觸，形成熱電偶的冷結點28。熱電偶電阻由N+硅電阻和Ta2N電阻兩部分組成，并以Ta2N電阻為主。微波功率散在熱電偶電阻上，產生熱量，使熱結溫度高于冷結，由Seebeck效應(溫差電動勢效應)在熱電偶上產生熱電勢，該熱電勢的大小與所吸收的微波功率成正比。通過檢測熱電勢值就能測量出微波功率。為了減小熱損耗，將P型硅襯底背面減薄，使熱電偶位于5μm厚的硅膜上。熱電偶微波功率傳感器的靈敏度S定義為單位輸入功率P0產生的熱電勢值U，即s=UP0---(1)]]>U＝αΔT，α是熱電系數，ΔT是硅冷熱結溫差，P＝(1-r)Po，r是反射率，P是熱電偶吸收的功率，(1)式可寫為s=(1-r)·α·ΔTP---(2)]]>ΔT/P是單位吸收功率導致的冷熱結溫差，與熱電偶結構的熱傳導σ成反比。因此，s.∞(1-r)·α·1σ---(3)]]>熱電偶傳感器的響應時間τ與熱電偶結構的熱容H及熱導σ有關。
τ=Hσ---(4)]]>由(3)式可知，要提高靈敏度，可以減小反射率r，增加熱電系數α，降低熱導σ。由(4)式，熱導減小會增加響應的時間τ，因此熱容H也應相應減小，以保證傳感器的響應特性不至于變壞。
硅的熱電系數與其雜質濃度有關，也即與其電阻有關。
α=86.3(2+ln2.5×1019n+1.5lnT300)---(5)]]>其中，n是雜質濃度，T是絕對溫度。由上式可知，電阻越小，雜質濃度越高，熱電系數就越小。對于薄膜的熱電偶結構(如圖1所示)，為了與微波輸入阻抗匹配，就必須限定熱電偶總電阻的阻值，但這樣一來，硅的摻雜就不能太少，否則硅電阻會增大，而硅的電阻溫度系數較大，在大功率情況下，其電阻的變化會影響總的熱電偶電阻，導致阻抗失配。因此，該熱電偶功率計的靈敏度不高。
發明內容
鑒于以上所述問題的存在，本發明的目的是提供一種具有高靈敏度的半導體熱電偶型微波功率傳感器。
本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器，包括硅襯底；在該該硅襯底中選擇性擴散N+硅而形成的N+硅低阻通道；在所述硅襯底上制備的絕緣保護層；設置在該絕緣保護層上的微波吸收電阻以及第一、第二和第三金屬電極引線；所述N+硅低阻通道的一端通過冷結點與所述第三金屬電極引線相連，另一端通過熱結點微波吸收電阻與第二金屬電極相連，所述微波吸收電阻的一端與所述第一金屬電極引線相連，另一端與所述第二金屬電極引線相連；其特征在于在所述第一、第二和第三金屬電極引線之間分別開有穿通所述硅襯底和所述絕緣保護層的溝槽，使所述微波吸收通路和所述熱偶通路成為隔離的橋形通道。
而且，本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器，所述微波吸收電阻最好限制在位于所述橋形通道中心區域的微型硅島上。
而且，本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器，所述熱結點最好設置在所述微波吸收電阻正下方的與所述N+硅低阻通道直接接觸之處。
而且，本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器，所述微波吸收電阻最好為Ta2N電阻。
而且，本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器，所述絕緣保護層最好為Si3N4、Al2O3或SiO2薄膜。
根據本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器，由于在第一、第二和第三金屬電極引線之間分別開有穿通硅襯底和絕緣保護層的溝槽，使所述微波吸收通路和所述熱偶通路成為隔離的橋形通道，所以能加長熱流通路(熱偶通路)，加大熱流通路的長寬比，增大熱阻，減小熱傳導損耗及熱電偶的熱容量，控制橋形通道的厚度，還可以控制熱電偶的熱導及熱容，對靈敏度及響應時間進行優化設計。并且，由于微波吸熱通路(微波吸收電阻)與熱電偶通路(檢測熱偶電阻)相互分離，使微波吸收電阻完全由具有低電阻溫度系數的微波吸收電阻所組成，所以能保證微波吸收電阻在較大的功率范圍內與微波輸入相匹配，從而能改善傳感器駐波比，并且可靈活地選擇熱電偶電阻來調整靈敏度。利用本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器，可將傳感器靈敏度從原來300μV左右提高到1000μV左右。
而且，由于本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器可以將微波吸收電阻限制在位于所述橋形通道中心區域的微型硅島上，所以能使熱量更加集中到中心區域，能進一步提高靈敏度。
而且，由于本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器可以將熱結點設置在所述微波吸收電阻正下方的與所述N+硅低阻通道直接接觸之處，所以能增加轉換效率，縮短相應時間，進一步提高靈敏度。此外，這種結構還能減少電磁干擾，增加芯片的機械強度。
下面簡要說明附圖。
圖1是現有的薄膜型半導體熱電偶型微波功率傳感器芯片結構示意圖，其中，圖1(a)是芯片的正面示意圖，圖1(b)是熱電偶芯片的橫向剖面示意圖。
圖2是本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器芯片的結構示意圖，其中，圖2(a)是傳感器芯片的正面示意圖；圖2(b)是傳感器芯片的剖面示意圖。
具體實施例方式
圖1是現有的薄膜型半導體熱電偶型微波功率傳感器芯片結構示意圖，其中，圖1(a)是芯片的正面示意圖，圖1(b)是熱電偶芯片的橫向剖面示意圖。如圖1(a)、(b)所示，在P型硅8襯底上選擇性擴散N+硅30，其上生長SiO2及Si3N4作為絕緣保護層25，再沉積Ta2N電阻薄膜2及金屬引線1和6，形成熱電偶。N+硅30的一端與Ta2N接觸，形成熱電偶的熱結點27，另一端與金屬引線6接觸，形成熱電偶的冷結點28。熱電偶電阻由N+硅電阻和Ta2N電阻兩部分組成，并以微波吸收電阻為主。微波功率散在熱電偶電阻上，產生熱量，使熱結溫度高于冷結，由Seebeck效應(溫差電動勢效應)在熱電偶上產生熱電勢，該熱電勢的大小與所吸收的微波功率成正比。通過檢測熱電勢值就能測量出微波功率。
圖2是本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器芯片結構示意圖，只有一個熱電偶。圖2(a)傳感器芯片是正面示意圖；圖2(b)是芯片剖面示意圖。
如圖2所示，在硅襯底26中選擇性擴散N+硅，形成N+硅低阻通道30，在硅襯底26上制備絕緣保護層25，選擇Si3N4、Al2O3或SiO2薄膜等，在該絕緣保護層25上設置微波吸收電阻24以及用Au、Cu或Al等金屬材料制成的第一金屬電極21、第二金屬電極22和第三金屬電極引線23，使所述微波吸收電阻24的一端與第一金屬電極引線21的向外伸出的細長部分直接連接，另一端與所述第二金屬電極引線22的向外伸出的細長部分直接連接，形成微波吸收通路，其阻值由微波吸收電阻24構成。微波吸收電阻24可選用電阻溫度系數極小的氮化鉭Ta2N材料等。使N+硅低阻通道30的一端通過冷結點28與第三金屬電極引線23連接，另一端通過熱結點27，再經微波吸收電阻24的一部分與第二金屬電極22相連，形成熱偶通路。采用MEMS技術將絕緣保護層25的整體薄膜去掉部分區域，在所述第一、第二和第三金屬電極引線之間穿通硅襯底26和絕緣保護層25形成溝槽29，使所述微波吸收通路和所述熱偶通路成為隔離的橋形通道。將微波吸收電阻24限制在微型硅島上，通過三根支橋與外電路相連。
對于本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器，微波功率通過7mm同軸電纜及寶石基底(圖中未表示)上的共面波導從第一金屬電極引線21輸入，第二金屬電極引線22接地，從而加熱微波吸收電阻24，使微波吸收電阻底下的硅熱結點27溫度升高，在熱電偶冷熱結點之間產生溫度差，進而產生熱電勢，從熱電偶通路的兩端即第二金屬電極引線22和第三金屬電極引線23之間輸出正比于輸入微波功率的直流電壓，通過檢測該熱電勢即可實現微波功率測量。
本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器由于采用了MEMS技術將絕緣保護層25的整體薄膜去掉部分區域，在所述第一、第二和第三金屬電極引線之間穿通硅襯底26和絕緣保護層25形成溝槽29，使所述微波吸收通路和所述熱偶通路成為隔離的橋形通道，所以能加長熱流通路(熱偶通路)，加大熱流通路的長寬比，增大熱阻，減小熱傳導損耗及熱電偶的熱容量。而且，控制橋形通道的厚度，還可以控制熱電偶的熱導及熱容，對靈敏度及響應時間進行優化設計。
并且，本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器由于使微波吸熱通路(微波吸收電阻)與熱電偶通路(檢測熱偶電阻)相互分離，使微波吸收電阻完全由具有低電阻溫度系數的Ta2N電阻所組成，所以能保證微波吸收電阻在較大的功率范圍內與微波輸入相匹配，從而能改善傳感器駐波比，并且可靈活地選擇熱電偶電阻來調整靈敏度。利用本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器，可將傳感器靈敏度從原來300μV左右提高到1000μV左右。
而且，由于本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器還可以將微波吸收電阻限制在位于所述橋形通道中心區域的微型硅島上，所以能使熱量更加集中到中心區域，能進一步提高靈敏度。
而且，由于本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器可以將熱結點設置在所述微波吸收電阻正下方的與所述N+硅低阻通道直接接觸之處，所以能增加轉換效率，縮短相應時間，進一步提高靈敏度。此外，這種結構還能減少電磁干擾，增加芯片的機械強度。
而且，本發明的半導體熱電偶型微波功率傳感器的所述微型硅島可以設計成圓形、方形或其他形狀，連接微型硅島的支橋也可以設計成不同的形狀、厚度和長寬比，以加大熱流通路的長寬比，增大熱阻，減小熱傳導損耗及熱電偶的熱容量。
以上說明了本發明的實施例，但本發明并不局限于以上所述的具體實施例，凡是符合本發明主旨的各種結構的半導體熱電偶型微波功率傳感器，都應認為屬于本發明的范圍。
權利要求
1.一種半導體熱電偶型微波功率傳感器，包括硅襯底(26)；在該硅襯底中選擇性擴散N+硅而形成的N+硅低阻通道(30)；在所述硅襯底上制備的絕緣保護層(25)；設置在該絕緣保護層上的微波吸收電阻(24)以及第一金屬電極(21)、第二金屬電極(22)和第三金屬電極引線(23)；所述微波吸收電阻(24)的一端與所述第一金屬電極引線相連接，另一端與所述第二金屬電極引線相連接，形成微波吸收通路；所述N+硅低阻通道的一端通過冷結點(28)與所述第三金屬電極引線相連接，另一端通過熱結點(27)，再經微波吸收電阻(24)的一部分與所述第二金屬電極相連，形成熱偶通路；其特征在于在所述第一、第二和第三金屬電極引線之間分別開有穿通所述硅襯底和所述絕緣保護層的溝槽(29)，使所述微波吸收通路和所述熱偶通路成為隔離的橋形通道。
2.根據權利要求1所述的半導體熱電偶型微波功率傳感器，其特征在于所述微波吸收電阻(24)被限制在位于所述橋形通道中心區域的微型硅島上。
3.根據權利要求1或2所述的半導體熱電偶型微波功率傳感器，其特征在于所述熱結點(27)設置在所述微波吸收電阻(24)正下方的與所述N+硅低阻通道(30)直接接觸之處。
4.根據權利要求1或2所述的半導體熱電偶型微波功率傳感器，其特征在于所述微波吸收電阻(24)為Ta2N電阻。
5.根據權利要求1或2所述的半導體熱電偶型微波功率傳感器，其特征在于所述絕緣保護層為Si3N4、Al2O3或SiO2薄膜。
6.根據權利要求3所述的半導體熱電偶型微波功率傳感器，其特征在于所述微波吸收電阻(24)為Ta2N電阻。
7.根據權利要求3所述的半導體熱電偶型微波功率傳感器，其特征在于所述絕緣保護層為Si3N4、Al2O3或SiO2薄膜。
全文摘要
本發明公開了一種半導體熱電偶型微波功率傳感器，包括硅襯底(26)；在該硅襯底中選擇性擴散N
文檔編號G01R21/02GK1510425SQ0215935
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月26日 優先權日2002年12月26日
發明者崔大付, 者文明, 陳德勇 申請人:中國科學院電子學研究所