固支梁直接加熱式微波信號檢測器的制作方法

本發明提出了固支梁直接加熱式微波信號檢測器，屬于微電子機械系統的技術領域。

背景技術：

在現代化的技術背景下，微波信號檢測在相移鍵控(PSK)、鎖相環(PLL)、微波定位、天線相位方向圖的測試及測量各種微波器件的相位特性等等方面都有極其廣泛的應用。這些系統在實際應用中迫切需要重量輕、體積小、功耗低、集成度高的電子設備。而現有的微波功率、相位、頻率檢測器都為分立電路且體積較大，為此急需一種可對三種微波參量實現集成檢測的系統來滿足微波通訊領域的應用需求。本發明即是基于Si工藝設計一種單個芯片同時實現檢測微波功率、相位、頻率的固支梁直接加熱式微波信號檢測器。

技術實現要素：

技術問題：本發明的目的是提供一種固支梁直接加熱式微波信號檢測器，應用六端口固支梁耦合器端口來耦合連接不同的檢測功能模塊，從而實現了一個芯片同時對微波信號的功率、相位、頻率三種微波參量的檢測、具有低功耗、低成本的益處。

技術方案：本發明的固支梁直接加熱式微波信號檢測器由六端口固支梁耦合器，通道選擇開關，微波頻率檢測器，微波相位檢測器，直接加熱式微波功率傳感器組成；

固支梁直接加熱式微波信號檢測器，其特征在于該相位檢測器由六端口固支梁耦合器，通道選擇開關，微波頻率檢測器，微波相位檢測器，第一直接加熱式微波功率傳感器級聯構成；其中，六端口固支梁耦合器的第一端口到第三端口、第四端口以及第一端口到第五端口、第六端口的功率耦合度相同，待測信號經第一端口輸入，并由第二端口輸出到第一直接加熱式微波功率傳感器，由第四端口和第六端口輸出到微波相位檢測器，由第三端口和第五端口輸出到通道選擇開關；通道選擇開關的第七端口和第八端口分別接第二直接加熱式微波功率傳感器和第三直接加熱式微波功率傳感器；通道選擇開關的第九端口和第十端口接微波頻率檢測器，從而實現了對微波信號功率、相位、頻率的檢測。

其中，六端口固支梁耦合器由共面波導，介質層，空氣層和橫跨在其上方固支梁構成；共面波導制作在SiO₂層上，固支梁的錨區制作在共面波導上，固支梁的下方沉積有介質層，并與空氣層、固支梁共同構成耦合電容結構，兩個固支梁之間的共面波導長度為λ/4；

有益效果：

1)本發明的固支梁直接加熱式微波信號檢測器將微波信號的功率、相位、頻率三種測模塊集成到一起，應用六端口固支梁耦合器的固支梁來耦合輸入信號到不同的檢測功能模塊，實現了一個芯片同時對微波信號的功率、相位、頻率三種微波參量的檢測、具有低功耗、低成本的益處；

2)本發明的固支梁直接加熱式微波信號檢測器采用直接加熱式微波功率傳感器檢測微波信號的功率，具有較高的靈敏度且無直流功耗；

3)本發明中的微波相位檢測模塊采用兩個Wilkinson功率合成器，一個Wilkinson功率分配器和兩個直接加熱式微波功率傳感器實現0-360°的相位檢測。

附圖說明

圖1為本發明固支梁直接加熱式微波信號檢測器的原理框圖，

圖2為六端口固支梁耦合器的俯視圖，

圖3為圖2六端口固支梁耦合器的AA’方向剖面圖，

圖4為通道選擇開關的俯視圖，

圖5為圖4通道選擇開關的AA’方向剖面圖，

圖6為Wilkinson功率分配/合成器的俯視圖，

圖7為直接加熱式微波功率傳感器的俯視圖，

圖8為圖7直接加熱式微波功率傳感器的AA’方向剖面圖，

圖9為圖7直接加熱式微波功率傳感器的BB’方向剖面圖。

圖中包括：六端口固支梁耦合器1，通道選擇開關2，微波頻率檢測器3，微波相位檢測器4，第一直接加熱式微波功率傳感器5-1，第二直接加熱式微波功率傳感器5-2，第三直接加熱式微波功率傳感器5-3，第四直接加熱式微波功率傳感器5-4，第五直接加熱式微波功率傳感器5-5，第六直接加熱式微波功率傳感器5-6，第一Wilkinson功率合成器6-1，第二Wilkinson功率合成器6-2，第三Wilkinson功率合成器6-3，Wilkinson功率分配器7，Si襯底8，SiO₂層9，共面波導10，錨區11，介質層12，固支梁 13，懸臂梁14，空氣層15，空氣橋16，非對稱共面帶線17，隔離電阻18，隔直電容上極板19，輸出電極20，半導體臂21，金屬臂22，熱端23，冷端24，隔直電容下極板25，襯底薄膜結構26，終端電阻27，下拉電極28，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，第七端口2-1，第八端口2-2，第九端口2-3，第十端口2-4，第十一端口6-1，第十二端口6-2，第十三端口6-3。

具體實施方式

本發明固支梁直接加熱式微波信號檢測器由六端口固支梁耦合器1，通道選擇開關2，微波頻率檢測器3，微波相位檢測器4，第一直接加熱式微波功率傳感器5-1級聯構成；六端口固支梁耦合器1由共面波導10，介質層12，空氣層15和橫跨在其上方固支梁13構成；共面波導10制作在SiO₂層9上，固支梁13的錨區11制作在共面波導10上，固支梁13的下方沉積有介質層12，并與空氣層15、固支梁13共同構成耦合電容結構，兩個固支梁13之間的共面波導10長度為λ/4；通道選擇開關2由共面波導10，錨區11，介質層12，懸臂梁14，下拉電極28構成；懸臂梁14的錨區11制作在共面波導10上，懸臂梁下方制作下拉電極28，并與下拉電極28上方介質層12共同構成開關結構；微波頻率檢測器3由第三Wilkinson功率合成器6-3和第六直接加熱式微波功率傳感器5-6級聯構成；微波相位檢測器4由第四直接加熱式微波功率傳感器5-4和第五直接加熱式微波功率傳感器5-5，第一Wilkinson功率合成器6-1，第二Wilkinson功率合成器6-2，Wilkinson功率分配器7構成；Wilkinson功率合成器，Wilkinson功率分配器的拓撲結構相同，由共面波導10、空氣橋16、非對稱共面帶17和隔離電阻18構成，信號從第十一端口6-1輸入為Wilkinson功率分配器7，信號從第十二端口6-2，第十三端口6-3輸入為Wilkinson功率合成器

六端口固支梁耦合器1的第一端口到第三端口、第四端口以及第一端口到第五端口、第六端口的功率耦合度分別相同；待測信號經六端口固支梁耦合器1的第一端口輸入，并由第二端口輸出到第三直接加熱式微波功率傳感器5-3，由第四端口和第六端口輸出到微波相位檢測器4，由第三端口和第五端口輸出到通道選擇開關2；通道選擇開關2的第七端口2-1和第八端口2-2接第二直接加熱式微波功率傳感器5-2和第三直接加熱式微波功率傳感器5-3，通道選擇開關2的第九端口和第十端口接微波頻率檢測器3；實現了一個芯片同時對微波信號的功率、相位、頻率三種微波參量的檢測、具有低功耗、低成本的益處。其微波功率、相位、頻率的檢測原理可以解釋如下：

功率檢測：如圖5所示微波功率從輸入端口輸入，通過共面波導10輸入到終端電阻27消耗轉化成熱量；半導體臂21和金屬臂22構成熱電偶，熱電偶的中間區域作為熱端23，熱電偶的邊緣區域作為冷端24；根據Seebeck效應，通過測量輸出電極20的熱電勢可知輸入微波功率大小；隔直電容上極板19，隔直電容下極板25及介質層11構成隔直電容來防止輸出電極20短路；熱電偶的熱端21背部將襯底減薄構成襯底薄膜結構26用以提高檢測靈敏度。

頻率檢測：如圖1所示微波信號經六端口固支梁耦合器1的第三端口1-3和第五端口1-5輸出到通道選擇開關2；通道選擇開關2的第七端口2-1和第八端口2-2分別接第二直接加熱式微波功率傳感器5-2和第三直接加熱式微波功率傳感器5-3，通道選擇開關2的第九端口2-3和第十端口2-4接微波頻率檢測器3；通道選擇開關2的懸臂梁14接地，下拉電極28接驅動電壓，當驅動電壓大于等于開啟電壓時，懸臂梁14被拉下，通道被選通；當通道選擇開關2的第七端口2-1和第八端口2-2被選通時，可以測試出六端口固支梁耦合器1的輸出耦合功率P₃和P₅。六端口固支梁耦合器1的兩個固支梁13之間的共面波導10長度為λ/4，此時第三端口1-3和第五端口1-5的相位差為90°，且如公式(1)所示相位差是頻率的線性函數。

λ為輸入微波信號的波長，c是光速，ε_er為等效介電常數僅與器件結構有關。當通道選擇開關2的第九端口2-3和第十端口2-4被選通時，兩路微波信號經過第三Wilkinson功率合成器6-3進行功率合成，并應用第六直接加熱式微波功率傳感器5-6檢測合成信號功率P_s大小，根據公式(2)可得出輸入微波信號的頻率。

P₃，P₅為第三端口1-3與第五端口1-5耦合的功率，可由直接加熱式微波功率傳感器5檢測得到。

相位檢測器：如圖1所示微波信號經六端口固支梁耦合器1的第四端口1-4和第六端口1-6輸入到微波相位檢測器4進行相位檢測；六端口固支梁耦合器1的兩個固支梁13之間的共面波導10長度為λ/4，此時通過第四端口1-4和第六端口1-6的兩路微波信號相位差為90°；輸入功率已知為P_r，與待測信號頻率相同f(微波頻率檢測器3測得)的參考信號，參考信號經Wilkinson功率分配器7分成兩路功率和相位相同的信號與第四端口1-4和第六端口1-6的兩路待測信號經第一Wilkinson功率合成器6-1和第二Wilkinson功率合成器6-2進行功率合成；第四直接加熱式微波功率傳感器5-4和第五直接加熱式微波功率傳感器5-5對左右兩路合成后的功率P_cs1，P_cs2進行檢測，并通過公式(3)得出待測信號與參考信號之間的相位差

P₄，P₆為第四端口1-4與第六端口1-6耦合的功率，并且P₄＝P₃，P₄＝P₃。

固支梁直接加熱式微波信號檢測器的制備方法包括以下幾個步驟：

1)準備4英寸高阻Si襯底8，電阻率為4000Ω·cm，厚度為400mm；

2)熱生長一層厚度為1.2mm的SiO₂層9；

3)化學氣相淀積(CVD)生長一層多晶硅，厚度為0.4mm；

4)涂覆光刻膠并光刻，除多晶硅電阻區域以外，其他區域被光刻膠保護，并注入磷(P)離子，摻雜濃度為10¹⁵cm^-2，形成隔離電阻18和終端電阻27；

5)涂覆一層光刻膠，光刻多晶硅電阻圖形涂覆一層光刻膠，光刻多晶硅電阻圖形，再通過干法刻蝕形成隔離電阻18、終端電阻27和半導體臂21；

6)涂覆一層光刻膠，光刻去除共面波導10、非對稱共面帶17、金屬互連線、下拉電極28以及輸出電極20處的光刻膠；

7)電子束蒸發(EBE)形成第一層金(Au)，厚度為0.3mm，去除光刻膠以及光刻膠上的Au，剝離形成共面波導10和非對稱共面帶17的第一層Au、熱電堆金屬互連線，隔直電容下極板25、下拉電極28以及輸出電極20；

8)淀積(LPCVD)一層Si₃N₄，厚度為0.1mm；

9)涂覆一層光刻膠，光刻并保留隔直電容，固支梁13和懸臂梁14下方的光刻膠，干法刻蝕Si₃N₄，形成介質層12；

10)均勻涂覆一層空氣層15并光刻圖形，厚度為2mm，保留固支梁13和懸臂梁14下方的聚酰亞胺作為犧牲層；

11)涂覆光刻膠，光刻去除懸臂梁14、固支梁13、錨區11、共面波導10、隔直電容上極板19、下拉電極28以及輸出電極20位置的光刻膠；

12)蒸發500/1500/300A°的Ti/Au/Ti的種子層，去除頂部的Ti層后再電鍍一層厚度為2mm的Au層；

13)去除光刻膠以及上的Au，形成懸臂梁14、固支梁13、錨區11、共面波導10、非對稱共面帶17、隔直電容上極板19、下拉電極28和輸出電極20；

14)深反應離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作薄膜結構26；

15)釋放聚酰亞胺犧牲層：顯影液浸泡，去除固支梁下的聚酰亞胺犧牲層，去離子水稍稍浸泡，無水乙醇脫水，常溫下揮發，晾干。

本發明與現有技術的區別在于：

本發明采用了新穎的六端口固支梁耦合結構，這種固支梁耦合結構從共面波導中傳輸的微波信號中耦合出一部分，并利用耦合出的信號來檢測微波信號的功率、頻率和相位大小；應用Wilkinson功率合成器與功率分配器實現對微波信號的功率合成與分配；采用直接加熱式微波功率傳感器來檢測信號的微波功率，具有較高的靈敏度且無直流功耗；本發明的固支梁直接加熱式微波信號檢測器實現了一個芯片同時對微波信號的功率、相位、頻率三種微波參量的檢測、具有低功耗、低成本的益處。滿足以上條件的結構即視為本發明的固支梁直接加熱式微波信號檢測器。