專利名稱：微電子機械微波功率自動檢測系統及其檢測方法和制備方法
技術領域：
本發明屬于微電子機械系統技術領域，涉及微波功率檢測，為一種微電子機械微波功率自動檢測系統及其檢測方法和制備方法。
背景技術：
現代通訊系統需要重量輕、體積小、功耗小和高集成度的電子器件。RF MEMS器件具有線性度佳、隔離度高、驅動功耗低、工作頻帶寬、截止頻率高等優點，并且現在可以與傳統IC工藝相兼容，因此RF MEMS器件被寄予了很高的發展期望。現階段主流的MEMS微波功率傳感器的工作原理分為兩種終端熱偶式和電容式，其中電容式的微波功率測量具有以下優點基本上不損耗主信號線路上的功率、測量的反應速度快。因此，對電容式MEMS微波功率傳感器的微波功率檢測研究十分有意義。
發明內容
本發明要解決的問題是電容式MEMS微波功率傳感器需要實現準確、快速、便捷的微波功率檢測。本發明的技術方案為微電子機械微波功率自動檢測系統，包括電容式MEMS微波功率傳感器、功率分配器、終端負載電阻、熱電堆和反饋數字電路，電容式MEMS微波功率傳感器包括一個粗測用電容式MEMS微波功率傳感器和十個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器，十一個電容式MEMS微波功率傳感器的梁結構各自具有獨立的驅動電極，功率分配器包括一個一分五功率分配器和五個一分二功率分配器，終端負載電阻、熱電堆對應于精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器，所有電容式MEMS微波功率傳感器、功率分配器、終端負載電阻和熱電堆均設置在砷化鎵襯底上，通過共面波導CPW連接，信號輸入粗測用電容式MEMS微波功率傳感器，粗測用電容式MEMS微波功率傳感器的輸出連接一分五功率分配器，一分五功率分配器的每一個輸出支路連接一個一分二功率分配器，每一個一分二功率分配器的輸出連接精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器， 每個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器對應連接有終端負載電阻，以及對應的熱電堆，粗測用電容式MEMS微波功率傳感器的輸出同時輸入反饋數字電路，反饋數字電路與精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器和熱電堆雙向連接；其中，粗測用電容式MEMS微波功率傳感器的梁寬I與精確測量用電容式 MEMS微波功率傳感器梁寬Wd的關系有兩種(l)、Cd<2/(ZQ ) =i> Wr=IOxWd ； (2), Q>2/(Z0 ) =i>巧=IOx^，Cd是精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器的梁與中心導線的交疊電容，Cr是粗測用電容式MEMS微波功率傳感器的梁與中心導線的交疊電容，Z0是電容式MEMS微波功率傳感器CPW的特征阻抗值，ω是電容式MEMS微波功率傳感器CPW的頻率值。所有電容式MEMS微波功率傳感器為固支梁電容式MEMS微波功率傳感器。
上述微電子機械微波功率自動檢測系統的檢測方法為微波信號輸入自動檢測系統，在粗測電容式MEMS微波功率傳感器上慢慢加直流電壓，直至所測的電容變化為初始電容值的1. 5倍時，也就是粗測電容式MEMS微波功率傳感器的梁處于下拉的臨界狀態，粗測用電容式MEMS微波功率傳感器將此時所加的直流電壓值，也就是下拉電壓V”輸入反饋數字電路，反饋數字電路將下拉電壓V”的1/·作為加在精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器上的直流電壓序列的基準電壓，產生出十個精度更高一位，以為序列首的遞增執行電壓序列，加載在十個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器上所有精確測量用MEMS微波功率傳感器的下拉電壓是一樣的 _ 0] 1/VlOx Vp—r = Vp—d⑴=Vp_d(2)=……=Vp_d(W)且十個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器各自的受到的實際下拉電壓Vp d(i)‘為各自所加執行電壓Ve d(i)和各自微波功率等效電壓Vidw之和Vpd⑴'=Ve_d(i)+Ve(Ld(i)i是十個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器的編號，取值范圍1 10，則經過反饋數字電路調節執行電壓序列，精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器中必定會產生一部分傳感器的梁被下拉，一部分梁沒有被下拉，反饋數字電路檢測對應的十個終端負載電阻的反應，得到10個支路的精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器的狀態，求取其中與沒有被下拉傳感器毗鄰的傳感器的微波功率等效電壓Vrai d(iCI)^p_d(i) - K — d(i) +Kq — d(i)^eq_d(J0) ~^p_d(J0) ~^e_d(J0)即得到對應支路中的微波功率等效的電壓值Vrai d⑽，通過公式
V 2
「00171 P- eg-d(i0)
L0017」 ^0·ο)-2χ4χΖο算出此支路上的微波功率值Pavs d⑽，然后將此值乘以10，即得到輸入自動檢測系統的微波信號的微波功率值pavs—, = Pavsjac0 χ 10。進一步的，測量精度位的量程范圍與精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器個數對應，反饋數字電路根據檢測精度要求，調節執行電壓序列的精度。微電子機械微波功率自動檢測系統的制備方法，固支梁電容式MEMS微波功率傳感器由一個固支梁跨接在CPW地線和信號線上，錨區位于兩根CPW地線上，固支梁懸浮于 CPW信號線和驅動電極之上，位于固支梁下方的驅動電極和CPW的信號線都覆蓋一層氮化硅介質層；驅動電極的引線穿過CPW地線引出，CPW地線的斷開處用空氣橋相連接；功率分配器均由Wilkinson功率分配器構成，通過CPW相連接；終端負載電阻由兩個電阻值為 100 Ω的TaN材料形成的電阻塊跨接在CPW的地線和信號線之間形成；熱電堆是有一組具
效應的電阻串聯而成，每個單獨的電阻是由金質熱偶臂和輕摻雜的砷化鎵熱偶臂串聯而成，制備工藝為1)準備砷化鎵襯底選用外延的半絕緣砷化鎵襯底，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度為1018cnT3，其方塊電阻值為100 130 Ω / 口；2)光刻并隔離外延的N+砷化鎵，形成熱電堆的半導體熱偶臂的圖形和歐姆接觸區；3)反刻N+砷化鎵，形成其摻雜濃度為1017cm_3的熱電堆的半導體熱偶臂；
4)光刻和濺射TaN，剝離，形成終端負載電阻以及一分五功率分配器和一分二功率分配器的隔離電阻，即TaN薄膜電阻；5)光刻去除將要保留金鍺鎳/金地方的光刻膠；6)濺射金鍺鎳/金，其厚度共為2700A;7)剝離，形成熱電堆的金屬熱偶臂；8)光刻去除在固支梁電容式MEMS微波功率傳感器的CPW、梁結構和靜電驅動電極以及其引線，一分五功率分配器和一分二功率分配器CPW基礎圖形上的光刻膠；9)濺射金剝離去除光刻膠；形成固支梁電容式MEMS微波功率傳感器的CPW、梁結構和靜電驅動電極以及其引線，一分五功率分配器和一分二功率分配器CPW基礎圖形， 金的厚度為0.3μπι;10)淀積氮化硅介質層；用等離子體增強化學氣相淀積法工藝生長1000Α的氮化硅介質層；11)光刻并刻蝕氮化硅介質層；保留靜電驅動電極的氮化硅和空氣橋下方驅動電極引線的上的氮化硅；12)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層；在砷化鎵襯底上涂覆1. 6um厚的聚酰亞胺犧牲層，要求填滿凹坑，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了梁與氮化硅介質層所在平面的距離，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留梁下方和空氣橋下方的犧牲層；13)濺射鈦/金/鈦；濺射用于CPW、梁結構、梁和空氣橋的底金鈦/金/鈦= 500/1600/ 300A，14)光刻鈦/金/鈦；去除CPW、梁結構和空氣橋以外的光刻膠，15)電鍍金；電鍍金的厚度為2um，16)去除光刻膠；17)反刻金層，腐蝕底金層，形成CPW、梁結構、梁和空氣橋；18)釋放犧牲層；用顯影液溶解梁結構和空氣橋下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水，形成懸浮的梁結構和空氣橋。本發明提供了一種新的，準確、快速、便捷的微波功率檢測系統，以及其檢測方法和制備方法，與現有的普通的微波功率測量系統以及MEMS微波功率測量系統測試結構相比，本發明的微電子機械微波功率自動檢測系統結構具有以下有益效果1、運用十個分支結構細化量程，根據本發明系統的工作原理分析，可以看出本發明具有更加精細和精確的測量結果；2、設置的反饋數字電路使測量的過程更為簡單快速，而且不需要額外的測量儀器；3、可以根據測試的要求調節精度。
圖1為本發明微電子機械微波功率自動檢測系統結構示意圖。圖2為本發明中固支梁電容式MEMS微波功率傳感器梁結構的正面俯視圖，以及對應的A-A面的剖視圖。圖3為本發明中一分五功分器正面的俯視圖。
圖4為本發明中一分二功分器正面的俯視圖。圖5為本發明中終端負載電阻和熱電堆正面的俯視圖。
具體實施例方式本發明包括以下部分電容式MEMS微波功率傳感器、功率分配器、終端負載電阻、 熱電堆和控制用的反饋數字電路。其中電容式MEMS微波功率傳感器與現有的傳感器結構相同，整個微波功率檢測系統除了控制用的反饋數字電路由商用數字集成電路構成以外， 其他部分均以砷化稼為襯底，在襯底上設有共面波導(Coplanar Waveguide，簡稱CPW)組成的功分器、終端負載電阻、熱電堆和電容式MEMS微波功率傳感器結構，CPW用于實現功分器、固支梁結構和測試儀器之間的電路連接。如圖1，本發明微電子機械微波功率自動檢測系統包括電容式MEMS微波功率傳感器、功率分配器、終端負載電阻E、熱電堆F和反饋數字電路G，電容式MEMS微波功率傳感器包括一個粗測用電容式MEMS微波功率傳感器A和十個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器D，功率分配器包括一個一分五功率分配器B和五個一分二功率分配器C，終端負載電阻E、熱電堆F對應于精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器D，所有電容式MEMS微波功率傳感器、功率分配器、終端負載電阻和熱電堆均設置在砷化鎵襯底上，通過共面波導CPW 連接，信號輸入粗測用電容式MEMS微波功率傳感器A，粗測用電容式MEMS微波功率傳感器A的輸出連接一分五功率分配器B，一分五功率分配器B的每一個輸出支路連接一個一分二功率分配器C，每一個一分二功率分配器C的輸出連接精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器D，每個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器D對應連接有終端負載電阻E，以及對應的熱電堆F，粗測用電容式MEMS微波功率傳感器A的輸出同時輸入反饋數字電路G，反饋數字電路G與精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器D和熱電堆F連接；其中，十個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器的結構式完全相同，粗測用電容式MEMS微波功率傳感器的梁寬I與精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器梁寬Wd的關系有兩種⑴、Cd <2/(Zq ) =i> Wr=IOxWd ；⑵、Cr>2/(Z0oj) =i> Wd=IOxWr，Cd 是精確
測量用電容式MEMS微波功率傳感器的梁與中心導線的交疊電容，Cr是粗測用電容式MEMS 微波功率傳感器的梁與中心導線的交疊電容，A是電容式MEMS微波功率傳感器CPW的特征阻抗值，ω是電容式MEMS微波功率傳感器CPW的頻率值。下面以固支梁電容式MEMS微波功率傳感器做具體說明。如圖2-5，固支梁電容式MEMS微波功率傳感器由一個固支梁5跨接在CPW地線3和信號線2上，錨區6位于兩根CPW地線3上，固支梁懸浮于CPW信號線2和驅動電極7之上， 位于固支梁下方的驅動電極7和CPW的信號線都覆蓋一層氮化硅介質層4 ；驅動電極7的引線穿過CPW地線3引出，CPff地線3的斷開處用空氣橋9相連接；功率分配器均由Wi Ikinson 功率分配器構成，通過CPW相連接；終端負載電阻由兩個電阻值為100Ω的TaN材料形成的電阻塊跨接在CPW的地線3和信號線2之間形成；熱電堆是有一組具有keback效應的電阻串聯而成，每個單獨的電阻是由金質熱偶臂11和輕摻雜的砷化鎵熱偶臂12串聯而成。本發明粗測用固支梁電容式MEMS微波功率傳感器的梁寬I與精確測量用固支梁電容式MEMS微波功率傳感器梁寬Wd的關系原理分析如下
權利要求
1.微電子機械微波功率自動檢測系統，其特征是包括電容式MEMS微波功率傳感器、功率分配器、終端負載電阻、熱電堆和反饋數字電路，電容式MEMS微波功率傳感器包括一個粗測用電容式MEMS微波功率傳感器和十個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器，十一個電容式MEMS微波功率傳感器的梁結構各自具有獨立的驅動電極，功率分配器包括一個一分五功率分配器和五個一分二功率分配器，終端負載電阻、熱電堆對應于精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器，所有電容式MEMS微波功率傳感器、功率分配器、終端負載電阻和熱電堆均設置在砷化鎵襯底上，通過共面波導CPW連接，信號輸入粗測用電容式MEMS微波功率傳感器，粗測用電容式MEMS微波功率傳感器的輸出連接一分五功率分配器，一分五功率分配器的每一個輸出支路連接一個一分二功率分配器，每一個一分二功率分配器的輸出連接精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器，每個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器對應連接有終端負載電阻，以及對應的熱電堆，粗測用電容式MEMS微波功率傳感器的輸出同時輸入反饋數字電路，反饋數字電路與精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器和熱電堆雙向連接；其中，粗測用電容式MEMS微波功率傳感器的梁寬I與精確測量用電容式MEMS 微波功率傳感器梁寬Wd的關系有兩種(1)、Cd <21(Z0CO) =i> Wr=IOxWd ；⑵、 Q>2/(Z0 ) =i>巧=IOx^，Cd是精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器的梁與中心導線的交疊電容，Cr是粗測用電容式MEMS微波功率傳感器的梁與中心導線的交疊電容，Z0是電容式MEMS微波功率傳感器CPW的特征阻抗值，ω是電容式MEMS微波功率傳感器CPW的頻率值。
2.根據權利要求1所述的微電子機械微波功率自動檢測系統，其特征是所有電容式 MEMS微波功率傳感器為固支梁電容式MEMS微波功率傳感器。
3.權利要求1或2所述的微電子機械微波功率自動檢測系統的檢測方法，其特征是微波信號輸入自動檢測系統，在粗測用電容式MEMS微波功率傳感器上慢慢加直流電壓，直至所測的電容變化為初始電容值的1. 5倍時，也就是粗測電容式MEMS微波功率傳感器的梁處于下拉的臨界狀態，粗測用電容式MEMS微波功率傳感器將此時所加的直流電壓值，也就是下拉電壓V”輸入反饋數字電路，反饋數字電路將下拉電壓V”的I/λ/ 萬作為加在精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器上的直流電壓序列的基準電壓，產生出十個精度更高一位， 以I"為序列首的遞增或遞減執行電壓序列，加載在十個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器上所有精確測量用MEMS微波功率傳感器的下拉電壓是一樣的!/VTOxFpr= Vp_d(X) = Vp_d(2)=……=Vp_d(w)且十個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器各自的受到的實際下拉電壓Vp d(i) ’為各自所加執行電壓\ d(i)和各自微波功率等效電壓V^m)之和Vp—d ⑴ =Ve—d ⑴ +Veq—d ⑴i是十個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器的編號，取值范圍1 10，則經過反饋數字電路調節執行電壓序列，精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器中必定會產生一部分傳感器的梁被下拉，一部分梁沒有被下拉，反饋數字電路檢測對應的十個終端負載電阻的反應，得到10個支路的精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器的狀態，求取其中與沒有被下拉傳感器毗鄰的傳感器的微波功率等效電壓Vrai d(iQ) 即得到對應支路中的微波功率等效的電壓值通過公式
4.根據權利要求3所述的微電子機械微波功率自動檢測系統的檢測方法，其特征是測量精度位的量程范圍與精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器個數對應，反饋數字電路根據檢測精度要求，調節執行電壓序列的精度。
5.權利要求2所述的微電子機械微波功率自動檢測系統的制備方法，其特征是固支梁電容式MEMS微波功率傳感器由一個固支梁(5)跨接在CPW地線(3)和信號線(2)上，錨區(6)位于兩根CPW地線(3)上，固支梁懸浮于CPW信號線⑵和驅動電極(7)之上，位于固支梁下方的驅動電極(7)和CPW的信號線都覆蓋一層氮化硅介質層；驅動電極(7)的引線穿過CPW地線(3)引出，CPW地線(3)的斷開處用空氣橋(9)相連接；功率分配器均由Wilkinson功率分配器構成，通過CPW相連接；終端負載電阻由兩個電阻值為100 Ω的 TaN材料形成的電阻塊跨接在CPW的地線(3)和信號線(2)之間形成；熱電堆是有一組具效應的電阻串聯而成，每個單獨的電阻是由金質熱偶臂(11)和輕摻雜的砷化鎵熱偶臂(12)串聯而成，制備工藝為1)準備砷化鎵襯底(1)選用外延的半絕緣砷化鎵襯底(1)，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度為1018cnT3，其方塊電阻值為100 130 Ω / 口；2)光刻并隔離外延的N+砷化鎵，形成熱電堆的半導體熱偶臂(12)的圖形和歐姆接觸區；3)反刻N+砷化鎵，形成其摻雜濃度為1017cm_3的熱電堆的半導體熱偶臂(12)；4)光刻和濺射TaN，剝離，形成終端負載電阻以及一分五功率分配器和一分二功率分配器的隔離電阻(10)，即TaN薄膜電阻；5)光刻去除將要保留金鍺鎳/金地方的光刻膠；6)濺射金鍺鎳/金，其厚度共為2700A;7)剝離，形成熱電堆的金屬熱偶臂(11)；8)光刻去除在固支梁電容式MEMS微波功率傳感器的CPW、梁結構和靜電驅動電極(7)以及其引線，一分五功率分配器和一分二功率分配器CPW基礎圖形上的光刻膠；9)濺射金剝離去除光刻膠；形成固支梁電容式MEMS微波功率傳感器的CPW、梁結構和靜電驅動電極(7)以及其引線，一分五功率分配器和一分二功率分配器CPW基礎圖形，金的厚度為0. 3 μ m ；10)淀積氮化硅介質層用等離子體增強化學氣相淀積法工藝生長1000A的氮化硅介質層⑷；11)光刻并刻蝕氮化硅介質層⑷保留靜電驅動電極(7)的氮化硅⑷和空氣橋(9) 下方驅動電極引線(8)的上的氮化硅介質層；12)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層；在砷化鎵襯底上涂覆1.6 μ m厚的聚酰亞胺犧牲層，要求填滿凹坑，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了梁與氮化硅介質層(4)所在平面的距離，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留梁下方和空氣橋(9)下方的犧牲層；13)濺射鈦/金/鈦；濺射用于CPW、梁結構、梁和空氣橋(9)的底金鈦/金/鈦= 500/1600/ 300A；14)光刻鈦/金/鈦；去除CPW、梁結構和空氣橋(9)以外的光刻膠；15)電鍍金；電鍍金的厚度為2μ m，16)去除光刻膠；17)反刻金層，腐蝕底金層，形成CPW、梁結構、梁和空氣橋(9)；18)釋放犧牲層；用顯影液溶解梁結構和空氣橋(9)下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水，形成懸浮的梁結構和空氣橋(9)。
全文摘要
微電子機械微波功率自動檢測系統及其檢測方法和制備方法，檢測系統包括一個粗測用電容式MEMS微波功率傳感器、十個精確測量用電容式MEMS微波功率傳感器、功率分配器、終端負載電阻、熱電堆和控制用的反饋數字電路，反饋數字電路根據粗測用電容式MEMS微波功率傳感器的粗測結果產生一個基準電壓，并衍生出十個精度更高一位以粗測結果的為序列首的遞增執行電壓序列，再參考終端負載電阻的反應以及精度的需求，改變執行電壓的序列，最終根據臨界的下拉固支梁電容式MEMS微波功率傳感器的執行電壓計算出十個支路的微波功率的值。本發明提出一種新的微電子機械微波功率自動檢測系統及檢測方法和制備方法，實現對微波功率的精確檢測。
文檔編號G01R21/133GK102175910SQ20111005506
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月8日 優先權日2011年3月8日
發明者廖小平, 朱政 申請人:東南大學