專利名稱：無線接收式微電子機械微波功率傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是利用具有寄生單元貼片和U型槽的共面波導(dǎo)天線接收微波功率，將微波功率通過共面波導(dǎo)傳輸給終端電阻，使用熱堆測量電阻的發(fā)熱量并轉(zhuǎn)換為熱電勢輸出，從而實現(xiàn)微波功率的測量，屬于微電子機械系統(tǒng)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在微波研究中，微波功率是表征微波信號特征的一個重要參數(shù)。在微波無線應(yīng)用和測量技術(shù)中，微波功率的探測是一個非常重要的部分。傳統(tǒng)的功率計采用波導(dǎo)形式的功率傳感器，以鉍-銻作為熱電偶，采用同軸電纜等微波傳輸線作為微波信號的輸入連接裝置，不能實現(xiàn)微波功率的直接接收。
近20多年來，隨著微電子機械(MEMS)技術(shù)的飛速發(fā)展，國外提出了基于此技術(shù)的終端加熱式微波功率傳感器，原理是利用終端電阻吸收輸入待測的微波功率而發(fā)熱，并通過放置在微波終端電阻附近的熱電偶探測終端電阻附近的溫差得到微波功率的大小，這種類型的微波功率傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性能較為優(yōu)良、與硅(Si)工藝或砷化鎵(GaAS)工藝相兼容等優(yōu)點，本發(fā)明即為基于此工作原理的傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種全新的、能夠直接接收外界微波信號的無線接收式微電子機械微波功率傳感器及其制備方法，利用傳感器前端的共面波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)，大大提高微波功率測量的靈活性。
技術(shù)方案本發(fā)明的無線接收式微電子機械微波功率傳感器，以砷化鎵為襯底，在砷化鎵襯底上有一層鋁鎵砷薄膜，在鋁鎵砷薄膜上面有一層共面波導(dǎo)天線，天線上有一段被刻蝕掉的U型槽，在天線兩邊各有一個寄生單元貼片，共面波導(dǎo)天線末端與共面波導(dǎo)傳輸線連接，在共面波導(dǎo)傳輸線終端有兩個并聯(lián)的負(fù)載電阻，在負(fù)載電阻的外側(cè)對應(yīng)設(shè)有熱電堆，熱電堆的兩端通過導(dǎo)線與兩個壓焊塊相連接。
該傳感器的制備方法為a)準(zhǔn)備砷化鎵襯底，使用未摻雜的半絕緣砷化鎵，厚度為500μm，b)外延生長鋁鎵砷薄膜，用作腐蝕自停止層，厚度為1000，c)外延生長n型砷化鎵，生長范圍為熱電堆部分，厚度為0.25μm，d)濺射金鍺鎳/金，濺射范圍為熱電堆部分，金鍺鎳/金的厚度為300/1800，e)淀積并光刻氮化鉭形成電阻，淀積及光刻范圍為負(fù)載電阻部分，厚度為2μm，f)濺射并光刻鈦/金/鈦，濺射范圍為共面波導(dǎo)天線部分、寄生單元貼片部分及共面波導(dǎo)傳輸線部分，厚度為500/1500/300，g)電鍍金，濺射范圍為共面波導(dǎo)天線部分、寄生單元貼片(2)部分及共面波導(dǎo)傳輸線部分，厚度為2μm，h)減薄襯底至100μm，i)背面刻蝕至鋁鎵砷阻擋層。
本發(fā)明中的無線接收式微波功率傳感器以砷化鎵為襯底，待測的微波信號用前端的共面波導(dǎo)天線引入，中間部分用漸進線結(jié)構(gòu)完成共面波導(dǎo)天線與傳輸線的連接，在共面波導(dǎo)傳輸線的終端接有與其特性阻抗相匹配的負(fù)載電阻，使輸入的微波信號有效的轉(zhuǎn)化為熱量，該熱量使放置在終端電阻附近的一組串聯(lián)熱電偶形成的熱電堆的一端(熱端)溫度升高，從而與另一端(冷端)形成溫差，由于塞貝克效應(yīng)在熱電堆的兩個輸出端產(chǎn)生直流電壓輸出，而該輸出電壓與輸入的待測微波功率成正比，從而實現(xiàn)了微波功率的測量。
區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)為該結(jié)構(gòu)使用了共面波導(dǎo)天線接收微波信號，通過采用寄生貼片和U型槽相結(jié)合的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了超帶寬的微波功率接收，最后通過熱偶實現(xiàn)微波功率的測量。
滿足以上結(jié)構(gòu)即為我們所設(shè)計的結(jié)構(gòu)。
有益效果與國外、國內(nèi)已出現(xiàn)的間接加熱式微波功率傳感器相比，這種新型的無線式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)具有以下顯著的優(yōu)點1、采用前端共面波導(dǎo)接收天線式結(jié)構(gòu)能直接接受外界微波功率而不必像傳統(tǒng)的間接加熱式微波功率傳感器需要在共面波導(dǎo)前端通過轉(zhuǎn)接裝置才能實現(xiàn)微波功率的測量。
2、共面波導(dǎo)接收天線采用了加入寄生貼片和U型槽的新結(jié)構(gòu)從而大大拓寬了傳感器的微波測量頻帶；3、實現(xiàn)了全方向性測量，即測量方向不受位置的限制；4、通過新穎的漸進線式共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了前端天線和共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的阻抗匹配，減小了回波損耗；這一系列的優(yōu)點是已出現(xiàn)的傳統(tǒng)功率傳感器所無法比擬的，因而，這種具有超頻帶、全向性、低成本、高可靠性和很強使用靈活性的無線接收式微波功率傳感器具有極其重要的應(yīng)用價值和極為廣闊的市場前景。


圖1是無線接受式MEMS微波功率傳感器正面俯視圖。
圖2是無線接收式MEMS微波功率傳感器的A-A面的剖視圖。
圖3是無線接收式MEMS微波功率傳感器工藝流程圖。
圖4是無線接收式MEMS微波功率傳感器的電壓輸出圖。
圖中包括共面波導(dǎo)天線1、寄生單元貼片2、U型槽3、共面波導(dǎo)傳輸線4、終端電阻5、壓焊塊6、熱電偶7、砷化鎵襯底8、鋁鎵砷薄膜9。
具體實施方案該傳感器以砷化鎵為襯底8，在砷化鎵襯底8上有一層鋁鎵砷薄膜9，在鋁鎵砷薄膜9上面有一層共面波導(dǎo)天線1，天線上有一段被刻蝕掉的U型槽3，在天線兩邊各有一個寄生單元貼片2，共面波導(dǎo)天線1末端與共面波導(dǎo)傳輸線4連接，在共面波導(dǎo)傳輸線4終端有兩個并聯(lián)的負(fù)載電阻，在負(fù)載電阻5的外側(cè)對應(yīng)設(shè)有熱電堆7，熱電堆7的兩端通過導(dǎo)線與兩個壓焊塊6相連接。本發(fā)明是通過前端的特殊結(jié)構(gòu)共面波導(dǎo)天線接收來自外界的微波信號，然后通過共面波導(dǎo)將微波信號傳遞至終端，共面波導(dǎo)的終端用兩個匹配電阻完全吸收微波信號轉(zhuǎn)化為熱，該熱量使放置在共面波導(dǎo)終端電阻附近的一組熱電堆(熱端)溫度升高，從而與另一端(冷端)形成溫差，該溫差由于賽貝克效應(yīng)在熱電堆的兩個輸出端產(chǎn)生直流電壓輸出，而該輸出熱電壓與輸入的待測微波功率成正比，從而實現(xiàn)了微波功率的測量。例如頻率為10GHz，傳感器的GaAs襯底高度為100μm，共面波導(dǎo)中心導(dǎo)帶寬度為100μm，狹縫寬度為58μm，熱堆長度為500μm，前端天線長度1500μm，采用GaAs單片微波集成電路(MMIC)工藝及MEMS加工工藝相結(jié)合來實現(xiàn)無線接收式MEMS微波功率傳感器的結(jié)構(gòu)，共需要7次光刻完成微波功率傳感器的制作，具體工藝步驟簡述如下(1)準(zhǔn)備基片；襯底選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底。
(2)外延生長鋁鎵砷薄膜，用作腐蝕自停止層；外延生長1000厚的AlGaAs作為腐蝕自停止層。
(3)鋁鎵砷外延層半絕緣化；(4)外延生長砷化鎵；外延生長砷化鎵的厚度為0.25μm。
(5)硼離子注入；(6)砷化鎵外延層摻雜濃度為n＝2.7×1017cm-3。
(7)砷化鎵外延層半絕緣化，形成半導(dǎo)體熱偶臂；(8)光刻金鍺鎳/金；(9)濺射金鍺鎳/金，剝離，形成金屬熱偶臂；金鍺鎳/金的厚度為300/1800。
(10)淀積氮化鉭；(11)光刻并刻蝕氮化鉭，形成終端電阻；(12)淀積氮化硅介質(zhì)層；生長1000的氮化硅介質(zhì)層。
(13)光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層；(14)濺射鈦/金/鈦；濺射用于電鍍的底金鈦/金/鈦＝500/1500/300。
(15)光刻鈦/金/鈦；保留不需要電鍍地方的光刻膠。
(16)電鍍金；(形成共面波導(dǎo)和金屬引線)電鍍金的厚度為2μm，(17)去除光刻膠；
(18)反刻金層，腐蝕底金層，(19)襯底減薄至100μm；(20)背面光刻并刻蝕，形成鋁鎵砷膜；1000厚的鋁鎵砷外延層作為腐蝕自停止層，用來形成鋁鎵砷膜。
權(quán)利要求
1.一種無線接收式微電子機械微波功率傳感器，其特征在于該傳感器以砷化鎵為襯底(8)，在砷化鎵襯底(8)上有一層鋁鎵砷薄膜(9)，在鋁鎵砷薄膜(9)上面有一層共面波導(dǎo)天線(1)，天線上有一段被刻蝕掉的U型槽(3)，在天線兩邊各有一個寄生單元貼片(2)，共面波導(dǎo)天線(1)末端與共面波導(dǎo)傳輸線(4)連接，在共面波導(dǎo)傳輸線(4)終端有兩個并聯(lián)的負(fù)載電阻，在負(fù)載電阻(5)的外側(cè)對應(yīng)設(shè)有熱電堆(7)，熱電堆(7)的兩端通過導(dǎo)線與兩個壓焊塊(6)相連接。
2.一種如權(quán)利要求1所述的無線接收式微電子機械微波功率傳感器的制備方法，其特征在于該傳感器的制備方法為a)準(zhǔn)備砷化鎵襯底(8)，使用未摻雜的半絕緣砷化鎵，厚度為500μm，b)外延生長鋁鎵砷薄膜(9)，用作腐蝕自停止層，厚度為1000，c)外延生長n型砷化鎵，生長范圍為熱電堆(6)部分，厚度為0.25μm，d)濺射金鍺鎳/金，濺射范圍為熱電堆(6)部分，金鍺鎳/金的厚度為300/1800，e)淀積并光刻氮化鉭形成電阻，淀積及光刻范圍為負(fù)載電阻(6)部分，厚度為2μm，f)濺射并光刻鈦/金/鈦，濺射范圍為共面波導(dǎo)天線(1)部分、寄生單元貼片(2)部分及共面波導(dǎo)傳輸線(4)部分，厚度為500/1500/300，g)電鍍金，濺射范圍為共面波導(dǎo)天線(1)部分、寄生單元貼片(2)部分及共面波導(dǎo)傳輸線(4)部分，厚度為2μm，h)減薄襯底至100μm，i)背面刻蝕至鋁鎵砷阻擋層。
全文摘要
無線接收式微電子機械微波功率傳感器及其制備方法是一種利用共面波導(dǎo)天線(1)接收微波功率從而引起電阻發(fā)熱，通過熱電偶測出微波信號幅度的傳感器及其制備方法。該傳感器是在砷化鎵襯底(8)上，形成共面波導(dǎo)天線(1)，共面波導(dǎo)天線(1)再與共面波導(dǎo)傳輸線(4)連接從而傳輸微波信號，在共面波導(dǎo)傳輸線(4)終端有兩個并聯(lián)的電阻作為微波負(fù)載電阻(5)，負(fù)載電阻(5)通過發(fā)熱引起其右端熱電堆(7)的發(fā)熱，熱電堆(7)由于發(fā)熱的不均而產(chǎn)生了冷熱節(jié)點，形成溫度差，該溫差由于賽貝克效應(yīng)在熱電堆的兩個輸出端產(chǎn)生直流電壓由兩個壓焊塊(6)輸出，而該輸出熱電壓與輸入的待測微波功率成正比，測量這個電壓便可以得出微波功率的數(shù)值。
文檔編號G01R29/08GK101034121SQ20071002113
公開日2007年9月12日 申請日期2007年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月30日
發(fā)明者廖小平, 田濤 申請人:東南大學(xué)