專利名稱：基于微機(jī)械硅基懸臂梁的相位檢測器及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了基于微機(jī)械硅基懸臂梁的相位檢測器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，特別是在相控陣?yán)走_(dá)、相控陣天線及加速器等較新的技術(shù)出現(xiàn)以后，相移量的測量顯得日趨重要?，F(xiàn)有的相位檢測的方法有以下幾種利用二極管檢波，利用乘法器結(jié)構(gòu)和利用矢量運(yùn)算法則實(shí)現(xiàn)相位檢測，以上方法的缺點(diǎn)是都需要相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代個人通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)要求微波相位檢測器具有簡單的結(jié)構(gòu)，小的體積以及小的功耗。MEMS系統(tǒng)具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的目的正是要提出一種基于MEMS技術(shù)的微波信號相位檢測器的實(shí)現(xiàn)方法。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種基于微機(jī)械硅基懸臂梁的相位檢測器及檢測方法，待測信號加載在Si MOSFET (硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管)的柵上，參考信號加載到MEMS懸臂梁的錨區(qū)上，當(dāng)下拉電極加直流偏置而使MEMS懸臂梁處于down (向下拉)態(tài)時，待測信號和參考信號同時加載到柵極上，通過檢測源漏極飽和電流，實(shí)現(xiàn)了微波信號相位的在線檢測。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于微機(jī)械硅基懸臂梁的相位檢測器，該相位檢測器包括
硅襯底，生長在硅襯底表面上的用于輸出飽和電流的源極和漏極，源極與漏極相對設(shè)置，在源極或漏極的外側(cè)設(shè)有懸臂梁錨區(qū)，跨接在源極和漏極之間的柵氧化層，設(shè)置在柵氧化層表面的柵極，設(shè)置在在該柵極上方且與柵極相對的懸臂梁，懸臂梁的一端與懸臂梁錨區(qū)相連；
在柵極遠(yuǎn)離固定梁錨區(qū)的一側(cè)設(shè)有下拉電極，下拉電極被絕緣介質(zhì)層覆蓋；
源極接地，漏極接正電壓；
參考信號加載在的柵極上，待測信號加載在懸臂梁上。本發(fā)明還提供了一種用于基于微機(jī)械硅基懸臂梁的相位檢測器的相位檢測方法，該方法包括如下步驟
源極與漏極是重?fù)诫s的N+區(qū)，且分別用于輸出飽和電流，柵極的材料是多晶硅；正常工作時，源極接地，漏極接正電壓Vdd，多晶硅柵極接負(fù)電壓，柵極和懸臂梁上電壓調(diào)整溝道耗盡層的寬度，改變源極與漏極之間的飽和電流的大小，源極與漏極輸出飽和電流的大小包含了兩個信號的相位差信息；
參考信號加載在懸臂梁錨區(qū)，待測信號加載在柵極；當(dāng)下拉電極上沒有直流偏置時，SiMOSFET處在非相位檢測狀態(tài)；
當(dāng)在下拉電極上加載直流偏置時，懸臂梁被下拉且與柵極接觸時，兩個頻率相同而存在一定相位差的微波信號同時加載到柵極上，Si MOSFET在在線相位檢測狀態(tài)，源極與漏極之間的飽和電流輸出包含了相位信息的電流分量；漏極飽和電流通過隔直電容和低通濾波器，濾去聞頻彳目號，得到相位差"[目息的電流"[目號。有益效果與現(xiàn)有的相位檢測器相比，這種新型的基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET相位檢測器具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)
USi MOSFET的源漏極飽和電流由兩個電壓共同控制，輸出電流是兩個柵電壓的乘積，起到了相位檢測器的作用；
2>MEMS懸臂梁可動結(jié)構(gòu)和下拉電極的存在，使得相位檢測器可以處在在線檢測和非檢測狀態(tài)下；
該相位檢測器的制作基于后CMOS微機(jī)械加工工藝，采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)。
I是基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET相位檢測器的俯視 圖2是基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET相位檢測器的A-A’剖面 圖3是基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET相位檢測器的B-B’剖面 圖中包括Si襯底1，源極2，漏極3，柵氧化層4，柵極5，MEMS懸臂梁錨區(qū)6，MEMS懸臂梁7，下拉電極8，錨區(qū)壓焊塊9，下拉電極壓焊塊10，柵極壓焊塊11，下拉電極介質(zhì)層12。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。參見圖1-3，I、一種基于微機(jī)械硅基懸臂梁的相位檢測器，該相位檢測器包括硅襯底1，生長在硅襯底I表面上的用于輸出飽和電流的源極2和漏極3，源極2與漏極3相對設(shè)置，在源極2或漏極3的外側(cè)設(shè)有懸臂梁錨區(qū)6，跨接在源極2和漏極3之間的柵氧化層4，設(shè)置在柵氧化層4表面的柵極5，設(shè)置在在該柵極5上方且與柵極5相對的懸臂梁7，懸臂梁7的一端與懸臂梁錨區(qū)6相連；
在柵極5遠(yuǎn)離固定梁錨區(qū)6的一側(cè)設(shè)有下拉電極8，下拉電極8被絕緣介質(zhì)層12覆蓋； 源極2接地，漏極3接正電壓；
參考信號加載在的柵極5上，待測信號加載在懸臂梁7上。本發(fā)明還提供一種用于基于微機(jī)械硅基懸臂梁的相位檢測器的相位檢測方法，該方法包括如下步驟
源極2與漏極3是重?fù)诫s的N+區(qū)，且分別用于輸出飽和電流，柵極5的材料是多晶硅；正常工作時，源極2接地，漏極接正電壓Vdd，多晶硅柵極5接負(fù)電壓，柵極5和懸臂梁7上電壓調(diào)整溝道耗盡層的寬度，改變源極2與漏極3之間的飽和電流的大小，源極2與漏極3輸出飽和電流的大小包含了兩個信號的相位差信息；
參考信號加載在懸臂梁錨區(qū)6，待測信號加載在柵極5 ;當(dāng)下拉電極8上沒有直流偏置時，Si MOSFET處在非相位檢測狀態(tài)；
當(dāng)在下拉電極8上加載直流偏置時，懸臂梁7被下拉且與柵極5接觸時，兩個頻率相同 而存在一定相位差的微波信號同時加載到柵極5上，Si MOSFET處在在線相位檢測狀態(tài)，源極2與漏極3之間的飽和電流輸出包含了相位信息的電流分量；漏極3飽和電流通過隔直電容和低通濾波器，濾去高頻信號，得到相位差信息的電流信號。本發(fā)明的相位檢測器是由基于MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)的Si MOSFET和濾波器組成的。基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET是在普通MOSFET的基礎(chǔ)上，額外增加了可動MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)和下拉電極，并使用下拉電極來控制梁的工作狀態(tài)
本發(fā)明的基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET以多晶硅為襯底，襯底上設(shè)置有柵氧化層、源極、漏極、柵極、MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)和下拉電極。源漏區(qū)是重?fù)诫s的N+區(qū)，柵極的材料是多晶硅。正常工作時，源極接地，漏極接Vdd，多晶硅柵極接負(fù)電壓，柵極和MEMS懸臂梁上電壓調(diào)整溝道耗盡層的寬度，改變源漏極之間的飽和電流的大小，輸出飽和電流的大小包含了兩個信號的相位差信息。
MEMS可動懸臂梁結(jié)構(gòu)，位于Si MOSFET的柵極上方。下拉電極位于懸臂梁的下方，位于遠(yuǎn)離懸臂梁錨區(qū)的柵極一側(cè)，其上覆蓋氮化硅絕緣介質(zhì)層。當(dāng)下拉電極和懸臂梁之間沒有直流偏置且柵極上的電壓不變時，Si MOSFET處在非相位檢測工作狀態(tài)。當(dāng)在下拉電極和懸臂梁之間加載直流偏置時，MEMS懸臂梁被下拉且與柵極接觸時，此時，待測信號通過壓焊塊加到MEMS懸臂梁上。兩個頻率相同而存在一定相位差的微波信號，同時加載到SiMOSFET的柵極上，Si MOSFET處在相位檢測工作狀態(tài)，源漏極之間的飽和電流輸出包含了相位信息的電流分量。源漏極飽和電流通過濾波器，濾去高頻和低頻信號，得到相位差信息的電流信號。基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET相位檢測器的工藝過程如下
(1)初始氧化(一次氧化);
(2)一次光刻和離子注入硼B(yǎng)+;
(3)退火和雜質(zhì)再分布；
(4)去除表面氧化層；
(5)底氧生長，形成柵氧化層；
(6)沉積氮化硅并刻蝕場區(qū)；
(7)P型場區(qū)閾值電壓調(diào)整；
(8)N型場區(qū)閾值電壓調(diào)整；
(9)場氧化；
(10)去除氮化硅、柵氧化層、NMOS閾值電壓調(diào)整；
(11)沉積多晶硅并光刻、刻蝕多晶硅圖形，形成SiMOSFET的柵極、MEMS梁下拉電極、壓焊塊和連接它們的引線；
(12)沉積氮化硅，形成下拉電極上的絕緣介質(zhì)層；
(13)離子注入形成PMOS、NMOS的源漏區(qū)；
(14)沉積二氧化硅并光刻、刻蝕二氧化硅圖形，形成MEMS梁的犧牲層；
(15)沉積多晶硅并光刻、刻蝕多晶硅圖形，形成MEMS梁結(jié)構(gòu)；
(16)低溫沉積摻磷二氧化硅；
(17)光刻引線孔并回流；
(18)沉積第一層金屬并完成第一層金屬引線的光刻和刻蝕；
(19)制作雙層引線間的介電材料；
(20)光刻和刻蝕雙層金屬間的連接通孔；(21)第二層金屬光刻與刻蝕；
(22)使用各向異性腐蝕液HF腐蝕犧牲層，釋放MEMS可動?xùn)牛?br>
本文發(fā)明的基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET相位檢測器的具體實(shí)施方案如下
在硅襯底I上設(shè)有源極2、漏極3、柵氧化層4、柵極5、MEMS懸臂梁錨區(qū)6、下拉電極8和下拉電極壓焊塊10。源極2和漏極3用于輸出飽和電流，由N型重?fù)诫s區(qū)構(gòu)成。當(dāng)SiMOSFET正常工作情況下，源極2接地，漏極3接正電壓Vdd，N型溝道中的電子將從源極2流向漏極3，電流方向由漏極3到源極2。柵極5由多晶硅構(gòu)成，接正電壓。該相位檢測器具有MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)7，橫跨在柵極5上，下拉電極位于懸臂梁的下方，位于遠(yuǎn)離懸臂梁錨區(qū)的柵極一側(cè)，其上覆蓋氮化硅絕緣介質(zhì)層。參考信號通過壓焊塊11加載在Si MOSFET的柵極5上，待測信號通過壓焊塊9加載在MEMS懸臂梁上。當(dāng)下拉電極上沒有直流偏置時，MEMS懸臂梁7位于up態(tài)，Si MOSFET源漏極之間的飽和電流大小的僅與參考信號有關(guān)，Si MOSFET處于非相位檢測狀態(tài)。當(dāng)在下拉電極8上加載直流偏置將MEMS懸臂梁7下拉與柵極5接觸時，待測信號和參考信號同時加載到Si MOSFET的柵極5，兩者之和同時決定了源漏極的飽和電流輸出，Si MOSFET處于相位檢測狀態(tài)，此時通過檢測源極和漏極飽和電流的大小最終實(shí)現(xiàn)兩個同頻信號的相位檢測。本發(fā)明提出的基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET相位檢測器采用后CMOS微機(jī)械加工技術(shù)，即在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝流程結(jié)束后，進(jìn)行MEMS結(jié)構(gòu)的制作。基于MEMS懸臂梁的SiMOSFET相位檢測器的工藝過程如下
(1)初始氧化(一次氧化)；
(2)一次光刻和離子注入硼B(yǎng)+;
(3)退火和雜質(zhì)再分布；
(4)去除表面氧化層；
(5)底氧生長，形成柵氧化層；
(6)沉積氮化硅并刻蝕場區(qū)；
(7)P型場區(qū)閾值電壓調(diào)整；
(8)N型場區(qū)閾值電壓調(diào)整；
(9)場氧化；
(10)去除氮化硅、柵氧化層、NMOS閾值電壓調(diào)整；
(11)沉積多晶硅并光刻、刻蝕多晶硅圖形，形成SiMOSFET的柵極、MEMS梁下拉電極、壓焊塊和連接它們的引線；
(12)沉積氮化硅，形成下拉電極上的絕緣介質(zhì)層；
(13)離子注入形成PMOS、NMOS的源漏區(qū)；
(14)沉積二氧化硅并光刻、刻蝕二氧化硅圖形，形成MEMS梁的犧牲層；
(15)沉積多晶硅并光刻、刻蝕多晶硅圖形，形成MEMS梁結(jié)構(gòu)；
(16)低溫沉積摻磷二氧化硅；
(17)光刻引線孔并回流；
(18)沉積第一層金屬并完成第一層金屬引線的光刻和刻蝕；
(19)制作雙層引線間的介電材料；
(20)光刻和刻蝕雙層金屬間的連接通孔；(21)第二層金屬光刻與刻蝕；
(22)使用各向異性腐蝕液HF腐蝕犧牲層，釋放MEMS可動?xùn)牛? 區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下
本發(fā)明的基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET相位檢測器，為實(shí)現(xiàn)微波相位檢測的功能，MEMS懸臂梁位于柵極上方，在柵極遠(yuǎn)離固定梁錨區(qū)的一側(cè)設(shè)有下拉電極，當(dāng)在下拉電極上加載一定的直流偏置時，MEMS懸臂梁被下拉且與柵極相連，通過壓焊塊加到MEMS懸臂梁上的待測信號和參考信號同時加載到Si MOSFET的柵極上，從而控制源漏極間的飽和電流的大小，實(shí)現(xiàn)兩個同頻微波信號相位的檢測。滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的基于MEMS懸臂梁的Si MOSFET相位檢測器。本發(fā)明的基于微機(jī)械硅基懸臂梁的相位檢測器具有結(jié)構(gòu)簡單，易于測量和低直流功耗等優(yōu)點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)以Si為襯底，在其上設(shè)有柵氧化層、源極、漏極、柵極下拉電極、連接線和壓焊塊。參考信號加載在Si MOSFET的柵極5上。MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)7橫跨在Si MOSFET的柵極5上，錨區(qū)6在柵極的一側(cè)。下拉電極在懸臂梁的下方，位于柵極遠(yuǎn)離固定梁錨區(qū)的一側(cè)設(shè)有下拉電極，其上覆蓋著一層氮化硅介質(zhì)層12，且通過引線與壓焊塊10相連。待測信號通過壓焊塊9加載在MEMS懸臂梁7上。當(dāng)在下拉電極和懸臂梁之間加載直流偏置時，MEMS懸臂梁被下拉且與柵極接觸時，兩個頻率相同而存在一定相位差的微波信號，同時加載到Si MOSFET的柵極上，Si MOSFET處在在線相位檢測狀態(tài)，源漏極之間的飽和電流輸出包含了相位信息的電流分量。源漏極飽和電流通過隔直電容和低通濾波器，濾去高頻，得到相位差信息的電流信號。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于微機(jī)械硅基懸臂梁的相位檢測器，其特征在于該相位檢測器包括 硅襯底(1)，生長在硅襯底(I)表面上的用于輸出飽和電流的源極(2)和漏極(3)，源極(2)與漏極(3)相對設(shè)置，在源極(2)或漏極(3)的外側(cè)設(shè)有懸臂梁錨區(qū)(6)，跨接在源極(2)和漏極(3)之間的柵氧化層(4)，設(shè)置在柵氧化層(4)表面的柵極(5)，設(shè)置在在該柵極(5)上方且與柵極(5)相對的懸臂梁(7)，懸臂梁(7)的一端與懸臂梁錨區(qū)(6)相連； 在柵極(5)遠(yuǎn)離固定梁錨區(qū)(6)的一側(cè)設(shè)有下拉電極(8)，下拉電極(8)被絕緣介質(zhì)層(12)覆蓋； 源極(2)接地，漏極(3)接正電壓； 參考信號加載在的柵極(5 )上，待測信號加載在懸臂梁(7 )上。
2.一種用于權(quán)利要求I所述基于微機(jī)械硅基懸臂梁的相位檢測器的相位檢測方法，其特征在于該方法包括如下步驟 源極(2)與漏極(3)是重?fù)诫s的N+區(qū)，且分別用于輸出飽和電流，柵極(5)的材料是多晶硅；正常工作時，源極(2)接地，漏極接正電壓Vdd，多晶硅柵極(5)接負(fù)電壓，柵極(5)和懸臂梁(7)上電壓調(diào)整溝道耗盡層的寬度，改變源極(2)與漏極(3)之間的飽和電流的大小，源極(2)與漏極(3)輸出飽和電流的大小包含了兩個信號的相位差信息； 參考信號加載在懸臂梁錨區(qū)(6)，待測信號加載在柵極(5);當(dāng)下拉電極(8)上沒有直流偏置時，硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管處在非相位檢測狀態(tài)； 當(dāng)在下拉電極(8)上加載直流偏置時，懸臂梁(7)被下拉且與柵極(5)接觸時，兩個頻率相同而存在一定相位差的微波信號同時加載到柵極(5)上,娃基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管處在在線相位檢測狀態(tài)，源極(2)與漏極(3)之間的飽和電流輸出包含了相位信息的電流分量；漏極(3)飽和電流通過隔直電容和低通濾波器，濾去高頻信號，得到相位差信息的電流信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微機(jī)械硅基懸臂梁的相位檢測器和檢測方法，該相位檢測器包括硅襯底(1)，生長在硅襯底(1)表面上的用于輸出飽和電流的源極(2)和漏極(3)，源極(2)與漏極(3)相對設(shè)置，在源極(2)或漏極(3)的外側(cè)設(shè)有懸臂梁錨區(qū)(6)，跨接在源極(2)和漏極(3)之間的柵氧化層(4)，設(shè)置在柵氧化層(4)表面的柵極(5)。該方法包括如下步驟當(dāng)在下拉電極(8)上加載直流偏置時，懸臂梁(7)被下拉且與柵極(5)接觸時，兩個頻率相同而存在一定相位差的微波信號同時加載到柵極(5)上，漏極(3)飽和電流通過隔直電容和低通濾波器，濾去高頻信號，得到相位差信息的電流信號。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于測量。
文檔編號G01R25/00GK102735935SQ201210204640
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者華迪, 廖小平 申請人:東南大學(xué)