硅基已知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器的制作方法

本發明提出了硅基已知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器，屬于微電子機械系統(MEMS)的技術領域。

背景技術：

二十一世紀是電子科學技術與信息科學技術不斷發展的時代，在這個時代中，各種各樣的電子設備充斥在人們的周圍，而這些電子設備都離不開對信號的檢測或處理，由此可見，信號的檢測是一項當今非常重要的技術。構成信號的三大要素分別為功率、相位和頻率，其中對信號的相位檢測是一項極為重要的內容，相位檢測器在航空航天、軍事以及通信領域內都有著巨大的應用價值，因此信號的相位檢測技術正日益受到人們的關注。毫米波信號是一種處于微波和遠紅外波交疊區域內的極高頻率的電磁波，由于頻帶資源的有限，人們正不斷開發高頻率的資源，而毫米波信號的檢測和處理正是人們需要的一項技術，如今的相位檢測器不僅結構復雜，而且大多無法達到很高的工作頻率，為此需要設計一種新型的毫米波相位檢測器來適應這不斷發展的時代。

隨著對共面波導傳輸線縫隙耦合結構、T型結功分器、T型結功合器以及直接式熱電式功率傳感器的深入研究，本發明在高阻Si襯底上設計了一種在已知頻率下的毫米波在線相位檢測器，它采用了共面波導傳輸線縫隙耦合結構來實現毫米波的相位檢測，實現了相位檢測器的高集成性，大大提高了檢測效率。

技術實現要素：

技術問題：本發明的目的是提供一種硅基已知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器，本發明采用了共面波導傳輸線縫隙耦合結構來進行相位檢測，在功率分配和功率合成方面則采用了T型結功分器和T型結功合器的結構，在信號的功率測量方面則采用了直接式熱電式功率傳感器，從而實現了毫米波的在線相位檢測。

技術方案：本發明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器是由共面波導傳輸線、一號縫隙耦合結構、二號縫隙耦合結構、三號縫隙耦合結構、四號縫隙耦合結構、移相器、一個T型結功分器、二個T型結功合器以及四個直接式熱電式功率傳感器所構成，具體結構的連接關系如下：第一端口是信號輸入端，一號縫隙耦合結構和二號縫隙耦合結構位于共面波導傳輸線上側地線，三號縫隙耦合結構和四號縫隙耦合結構則位于共面波導傳輸線下側地線，這兩對縫隙關于中心信號線對稱，它們之間由一個移相器隔開，一號縫隙耦合結構連接到第二端口，第二端口與一號直接式熱電式功率傳感器相連，同樣的，二號縫隙耦合結構連接到第三端口，第三端口與二號直接式熱電式功率傳感器連接；再看相位檢測模塊，三號縫隙耦合結構與第四端口相連，第四端口連接到一號T型結功合器，四號縫隙耦合結構與第五端口相連，第五端口連接到二號T型結功合器，參考信號通過三號T型結功分器的輸入端輸入，三號T型結功分器的輸出端分別連接到一號T型結功合器和二號T型結功合器，然后，一號T型結功合器的輸出端連接三號直接式熱電式功率傳感器，二號T型結功合器的輸出端連接四號直接式熱電式功率傳感器，第六端口處連接著后續處理電路。

對于相位檢測模塊，它主要由兩個縫隙耦合結構、一段移相器、兩個T型結功合器、一個T型結功分器以及兩個直接式熱電式功率傳感器所構成，毫米波信號首先經過第一個縫隙耦合結構耦合出小部分的信號P₃，然后經過一段移相器之后再由另一個縫隙耦合結構耦合出部分的信號P₄，由于縫隙尺寸相同，所以P₃＝P₁、P₄＝P₂，這兩個耦合信號的初始相位都為Φ，并且它們之間產生了一定的相位差實際上這段移相器就是一段共面波導傳輸線，它的長度設置為以中心頻率f₀為35GHz處波長的1/4，此時相位差剛好是90°，在不同的頻率f下，相位差是頻率f的函數：

其中f為毫米波信號的頻率，c為光速，ε_er為傳輸線的相對介電常數，ΔL為移相器的長度，對于已知的頻率f，根據函數關系式就能得到相位差的大小。已知頻率的參考信號P_c經過T型結功分器分解成左右兩路一模一樣的信號，左邊一路信號與第一個縫隙耦合信號進行功率合成，得到合成功率P_L，它是關于相位Φ的三角函數關系；而右邊一路信號與第二個縫隙耦合信號進行功率合成，得到合成功率P_R，它是關于相位的三角函數關系；

結合這兩個關系式，只要測得左右兩路合成信號的功率大小，不僅可以得到相位Φ的大小，還可以得到相位的超前或滯后關系。

有益效果：在本發明中，采用了共面波導傳輸線縫隙耦合結構來進行相位檢測，這種結構能將小部分的毫米波信號耦合出來，并利用這部分耦合信號來測量相位，而大部分的信號能夠繼續在共面波導傳輸線上傳播并進行后續信號處理，其中功分器和功合器采用了T型結功分器和T型結功合器結構，功率檢測器則采用了直接式熱電式功率傳感器，大大的提高了信號檢測的效率。

附圖說明

圖1為本發明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器的俯視圖

圖2為本發明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器中T型結功分器和T型結功合器的俯視圖

圖3為本發明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器中直接式熱電式功率傳感器的俯視圖

圖4為本發明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器中直接式熱電式功率傳感器AA’方向的剖面圖

圖5為本發明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器中直接式熱電式功率傳感器BB’方向的剖面圖

圖中包括：相位檢測模塊1，高阻Si襯底2，SiO₂層3，共面波導傳輸線4，金屬臂5，P型半導體臂6，歐姆接觸7，熱端8，冷端9，隔直電容10，輸出電極11，移相器12，縫隙耦合結構13-1，縫隙耦合結構13-2，縫隙耦合結構13-3，縫隙耦合結構13-4，扇形缺陷結構14，空氣橋15，隔直電容下極板16，Si₃N₄介質層17，隔直電容上極板18，襯底膜結構19，第一端口1-1，第二端口1-2，第三端口1-3，第四端口1-4，第五端口1-5，第六端口1-6。

具體實施方案

本發明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器是基于高阻Si襯底2制作的，是由共面波導傳輸線4、一號縫隙耦合結構13-1、二號縫隙耦合結構13-2、三號縫隙耦合結構13-3、四號縫隙耦合結構13-4、移相器12、一個T型結功分器、二個T型結功合器以及四個直接式熱電式功率傳感器所構成。

T型結功分器和T型結功合器的結構是相同的，主要由共面波導傳輸線4、兩個扇形缺陷結構14和三個空氣橋15構成，扇形缺陷結構14是位于兩個輸入端口處的扇形形狀的缺陷地結構，而空氣橋15是位于中心信號線上方的梁結構。

采用直接式熱電式功率傳感器來實現熱電轉換，它主要由共面波導傳輸線4、金屬臂5、P型半導體臂6以及一個隔直電容10構成，其中金屬臂5和P型半導體臂6構成的兩個熱電偶是并聯連接的，而共面波導傳輸線4直接與這兩個熱電偶的一端相連。

具體結構的連接關系如下：第一端口1-1是信號輸入端，一號縫隙耦合結構13-1和二號縫隙耦合結構13-2位于共面波導傳輸線4上側地線，三號縫隙耦合結構13-3和四號縫隙耦合結構13-4則位于共面波導傳輸線4下側地線，這兩對縫隙關于中心信號線對稱，它們之間由一個移相器12隔開，一號縫隙耦合結構13-1連接到第二端口1-2，第二端口1-2與一號直接式熱電式功率傳感器相連，同樣的，二號縫隙耦合結構13-2連接到第三端口1-3，第三端口1-3與二號直接式熱電式功率傳感器連接；再看相位檢測模塊1，三號縫隙耦合結構13-3與第四端口1-4相連，第四端口1-4連接到一號T型結功合器，四號縫隙耦合結構13-4與第五端口1-5相連，第五端口1-5連接到二號T型結功合器，參考信號通過三號T型結功分器的輸入端輸入，三號T型結功分器的輸出端分別連接到一號T型結功合器和二號T型結功合器，然后，一號T型結功合器的輸出端連接三號直接式熱電式功率傳感器，二號T型結功合器的輸出端連接四號直接式熱電式功率傳感器，第六端口1-6處連接著后續處理電路。

本發明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器的制備方法為：

1)準備高阻Si襯底2(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長一層SiO₂層3，厚度為1.2um；

3)淀積一層多晶硅，P型離子注入(摻雜濃度為10¹⁵cm^-2)，以達到制作熱電偶金屬臂5的電阻率要求。

4)利用掩模版2對要制作熱電偶P型半導體臂6的地方再次進行P型離子注入，達到P型半導體臂6的電阻率要求；

5)涂覆光刻膠，對多晶硅層進行光刻，最終形成熱電偶的金屬臂5和P型半導體臂6；

6)在熱電偶的金屬臂5和P型半導體臂6連接處制作歐姆接觸7；

7)在襯底上涂覆光刻膠，去除傳輸線、隔直電容10和輸出電極11處的光刻膠，蒸發一層種子層Ti，厚度為然后制備第一層金，厚度為0.3um，通過剝離工藝去除保留的光刻膠，連帶去除在光刻膠上面的金屬層，初步形成傳輸線、隔直電容的下極板16和輸出電極11；

8)在前面步驟處理得到的Si襯底上，通過PECVD生成一層厚的Si₃N₄介質層，光刻Si₃N₄介質層，僅保留要制作隔直電容10和空氣橋15位置處的Si₃N₄介質層17；

9)淀積一層1.6μm厚的聚酰亞胺犧牲層，要求填滿所有凹坑；光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留空氣橋15下方的聚酰亞胺犧牲層；

10)涂覆光刻膠，去除預備制作傳輸線、隔直電容10、輸出電極11以及空氣橋15地方的光刻膠，蒸發一層種子層Ti，厚度為制備第二層金，厚度為2um，最后，去除保留的光刻膠，形成傳輸線、隔直電容的上極板18、輸出電極11以及空氣橋15；

11)在襯底的背面涂覆光刻膠，去除預備在襯底背面形成薄膜結構19地方的光刻膠，在熱電偶中間區域即熱端8下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結構19，保留約為40μm厚的膜結構；

12)釋放聚酰亞胺犧牲層，以去除空氣橋15下方的聚酰亞胺犧牲層；最后，在去離子水中浸泡5分鐘，無水乙醇脫水，常溫下揮發，晾干。

本發明的不同之處在于：

本發明采用了新穎的縫隙耦合結構，這種縫隙耦合結構能夠將電磁場信號耦合出一部分，由于這部分小信號擁有同樣的相位，從而利用這耦合出的部分小信號來檢測原毫米波信號的相位大小，實現已知頻率下的毫米波相位檢測；功率分配器和功率合成器采用T型結功分器和T型結功合器的結構來實現功率的平分或合成；至于對合成信號的檢測，則采用直接式熱電式功率傳感器來實現熱電轉換。這些結構不僅簡化了電路版圖，降低了制作成本，而且大大提高了毫米波信號的檢測效率，同時由于耦合出的信號能量和原信號相比非常小，因此幾乎對原毫米波信號影響不大，原毫米波信號可以繼續向后傳播進行后續的電路處理。

滿足以上條件的結構即視為本發明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器。