專利名稱：微電子機械正交雙通道微波相位在線檢測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了基于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的正交雙通道微波相位在線檢測器，屬于微電子機械系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在微波研究中，微波相位是表征微波信號特征的一個重要參數(shù)，微波相位的測量在微波無線應用和測量技術(shù)中具有非常重要的地位。傳統(tǒng)的微波相位檢測器都是基于二極管或常效應管結(jié)構(gòu)的，它們都需要消耗直流功率，而且還部分的存在以下問題測量的信號幅度比較小、測量信號的帶寬較小、測量精度不高、可測相位僅為半個周期等。
近20多年來，隨著MEMS技術(shù)的飛速發(fā)展，對很多MEMS結(jié)構(gòu)和器件如固支梁結(jié)構(gòu)、MEMS開關(guān)等都進行了深入的研究，這些都使采用MEMS技術(shù)實現(xiàn)微波相位檢測器成為可能。

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MEMS技術(shù)的微電子機械正交雙通道微波相位在線檢測器及其制備方法，使得測量信號的幅度變大、測量信號的頻帶變寬、可測相位為整個周期、不需要消耗直流功率，且便于集成。
技術(shù)方案本發(fā)明的微電子機械正交雙通道微波相位在線檢測器，是利用微波信號產(chǎn)生靜電力，從而影響信號線上方的固支梁結(jié)構(gòu)，當固支梁穩(wěn)定后，它與傳感電極之間的電容發(fā)生了變化，通過電容檢測電路測出電容，電容與微波信號電壓有效值的平方一一對應，而微波信號電壓有效值的平方包含了相位差的信息且與之一一對應，這樣就測出了微波信號之間的相位差。
本發(fā)明的微電子機械正交雙通道微波相位在線檢測器的結(jié)構(gòu)為第一功率分配器的端口一接參考信號，第一功率分配器的端口二、端口三分別輸出參考信號一和參考信號二并分別接第一功率合成器與第二功率合成器的端口二；第二功率分配器的端口一接被測信號，其端口二、端口三分別輸出被測信號一和被測信號二并分別接第一功率合成器的端口三和90°移相器，在第一功率合成器的端口一處形成了第三信號接到第一固支梁結(jié)構(gòu)的信號輸入端；90°移相器的輸出端輸出被測信號二_接到第二功率合成器的端口三，在第二功率合成器的端口一形成了第四信號，把第四信號接到第二固支梁結(jié)構(gòu)的信號輸入端。
該在線檢測器以砷化鎵為襯底，在襯底上有功率分配器、功率合成器、90°移相器、固支梁結(jié)構(gòu)，功率分配器、功率合成器由共面波導構(gòu)成的端口一、端口二、端口三、不對稱共面帶線、氮化鉭電阻組成；90°移相器直接采用四分之一波長線的共面波導傳輸線來實現(xiàn)；固支梁結(jié)構(gòu)包括信號輸入端口、橋墩、固支梁、支撐結(jié)構(gòu)、傳感電極、傳感電極引線、電容檢測端口、空氣橋組成，在固支梁下方的傳輸線、支撐結(jié)構(gòu)、傳感電極及空氣橋下方的傳感電極引線的上方有氮化硅介質(zhì)層。
假設(shè)參考信號與被測信號的幅度已知，并且它們之間的頻率相同，相位差為_。參考信號和被測信號分別通過第一功率分配器和第二功率分配器，它們各自產(chǎn)生兩個信號，即形成了參考信號一～被測信號一(Ur1～Us1)、參考信號二～被測信號二(Ur2～Us2)兩對信號，這兩對信號的相位差與參考信號、被測信號之間的相位差相同，均為_，Ur1與Ur2的電壓有效值相等，且為參考信號電壓有效值的 Us1與Us2的電壓有效值相等，且為被測信號電壓有效值的 將Ur1～Us1直接輸入到第一功率合成器，如圖1左半部分所示，由第一功率合成器得到一個新信號，稱為第三信號，其大小由Ur1、Us1及它們之間的相位差決定。第三信號在通過帶有固支梁結(jié)構(gòu)的共面波導(CPW)時，會產(chǎn)生靜電力，從而將固支梁下拉，引起固支梁與傳感電極之間電容發(fā)生變化，通過電容檢測電路測出電容，其值是與第三信號電壓的有效值的平方是一一對應的，這樣就得到了第三信號電壓有效值的平方這個數(shù)值，這樣，由Ur1、Us1及第三信號組成的三角形的三邊長度都已知了，根據(jù)幾何知識可知，三角形的形狀也就確定下來了，根據(jù)余弦定理就可以確定Ur1、Us1之間的相位差為|_|。
對于第二對信號，先將Us2進行90°的移相，得到被測信號二_(Us2′)，這樣Ur2與Us2′的相位差變?yōu)開+90°，然后將Ur2與Us2′輸入到第二功率合成器，如圖1右半部分所示，根據(jù)上述方法，就可以確定Ur2與Us2′的相位差為|_+90°|。由|_|及|_+90°|這兩個值就可以在整個周期內(nèi)唯一確定參考信號、被測信號之間的相位差_。
在傳感電極旁邊加兩個支撐結(jié)構(gòu)還可以實現(xiàn)微波相位的在線檢測，其原理在線檢測時只需在測量前，先在傳感電極上施加驅(qū)動控制信號，將固支梁下拉到支撐結(jié)構(gòu)的高度，然后再進行如上所述的相位測量；不需要測量時，傳感電極上沒有驅(qū)動控制信號，固支梁距離共面波導較高，其插入損耗很小。
功率分配器和功率合成器在結(jié)構(gòu)形式上完全相同，當從端口一輸入，從端口二、端口三輸出時為功率分配器；當從端口二、端口三輸入，從端口一輸出時為功率合成器。
有益效果與現(xiàn)有的微波相位檢測器相比，這種新型的基于MEMS的技術(shù)的微波相位在線檢測器具有以下顯著的優(yōu)點1、該結(jié)構(gòu)有工作和不工作兩種狀態(tài)，即在線檢測時只需在測量前，先在傳感電極上施加驅(qū)動控制信號，將固支梁下拉到支撐結(jié)構(gòu)的高度，然后再進行如上所述的相位測量，不需要測量時，傳感電極上沒有驅(qū)動控制信號，固支梁距離共面波導較高，其插入損耗很??；2、該結(jié)構(gòu)全是由無源器件構(gòu)成，不需要消耗直流功率；3、該結(jié)構(gòu)采用CPW傳輸線技術(shù)，與單片微波集成電路(MMIC)工藝完全兼容，便于集成；4、測量信號的幅度得到很大提高，可測相位的范圍為整個周期；5、該結(jié)構(gòu)具有很好的對稱性，可以不需要考慮功率分配器引入的相移，所6、以測量結(jié)果的精度得到了提高；7、頻帶寬度得到展寬；而且這種結(jié)構(gòu)是基于MEMS技術(shù)的，具有MEMS的基本優(yōu)點，如體積小、重量輕、功耗低等。這一系列優(yōu)點是傳統(tǒng)的微波相位檢測器無法比擬的，因此它具有很好的研究和應用價值。


圖1是正交雙通道微波相位在線檢測器的原理圖。
圖2是功分器的正面俯視圖及框圖。
圖3是固支梁結(jié)構(gòu)的正面俯視圖及A-A面的剖視圖。
圖4第三信號電壓有效值的平方與相位差的關(guān)系中包括GaAs襯底1，氮化鉭(TaN)電阻2，CPW的地線3，傳感電極4，橋墩5，支撐結(jié)構(gòu)6，端口一7，端口二8，端口三9，不對稱共面帶線(ACPS)10，氮化硅(SiN)介質(zhì)層11，傳感電極引線12，固支梁13，空氣橋14，電容檢測端口15，信號輸入端口16。
具體實施例方式
本發(fā)明微波相位在線檢測器以GaAs襯底為襯底，具體實施方案如下微電子機械正交雙通道微波相位在線檢測器，其特征在于第一功率分配器a的端口一接參考信號，第一功率分配器a的端口二、端口三分別輸出參考信號一Ur1和參考信號二Ur2并分別接第一功率合成器c與第二功率合成器d的端口二；第二功率分配器b的端口一接被測信號，其端口二、端口三分別輸出被測信號一Us1和被測信號二Us2并分別接第一功率合成器c的端口三和90°移相器g，在第一功率合成器c的端口一處形成了第三信號接到第一固支梁結(jié)構(gòu)e的信號輸入端；90°移相器g的輸出端輸出被測信號二_Us2′接到第二功率合成器d的端口三，在第二功率合成器d的端口一形成了第四信號，把第四信號接到第二固支梁結(jié)構(gòu)f的信號輸入端。
假設(shè)參考信號與被測信號的幅度已知，并且它們之間的頻率相同，相位差為_。參考信號和被測信號分別通過第一功率分配器和第二功率分配器，它們各自產(chǎn)生兩個信號，即形成了參考信號一～被測信號一(Ur1～Us1)、參考信號二～被測信號二(Ur2～Us2)兩對信號，這兩對信號的相位差與參考信號、被測信號之間的相位差相同，均為_，Ur1與Ur2的電壓有效值相等，且為參考信號電壓有效值的 Us1與Us2的電壓有效值相等，且為被測信號電壓有效值的 將Ur1～Us1直接輸入到第一功率合成器，如圖1左半部分所示，由第一功率合成器得到一個新信號，稱為第三信號，其大小由Ur1、Us1及它們之間的相位差決定。第三信號在通過帶有固支梁結(jié)構(gòu)的CPW時，會產(chǎn)生靜電力，從而將固支梁下拉，引起固支梁與傳感電極之間電容發(fā)生變化，通過電容檢測電路測出電容，其值是與第三信號電壓的有效值的平方是一一對應的，這樣就得到了第三信號電壓有效值的平方這個數(shù)值，這樣，由Ur1、Us1及第三信號組成的三角形的三邊長度都已知了，根據(jù)幾何知識可知，三角形的形狀也就確定下來了，根據(jù)余弦定理就可以確定Ur1、Us1之間的相位差為|_|。
對于第二對信號，先將Us2進行90°的移相，得到被測信號二_(Us2′)，這樣Ur2與Us2′的相位差變?yōu)開+90°，然后將Ur2與Us2′輸入到第二功率合成器，如圖1右半部分所示，根據(jù)上述方法，就可以確定Ur2與Us2′的相位差為|_+90°|。由|_|及|_+90°|這兩個值就可以在整個周期內(nèi)唯一確定參考信號、被測信號之間的相位差_。
在傳感電極旁邊加兩個支撐結(jié)構(gòu)還可以實現(xiàn)微波相位的在線檢測，其原理在線檢測時只需在測量前，先在傳感電極上施加驅(qū)動控制信號，將固支梁下拉到支撐結(jié)構(gòu)的高度，然后再進行如上所述的相位測量；不需要測量時，傳感電極上沒有驅(qū)動控制信號，固支梁距離共面波導較高，其插入損耗很小。正交雙通道微波相位在線檢測器的工藝步驟如下
1)準備GaAs襯底選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底，其厚度為100μm，2)淀積TaN，3)光刻并刻蝕TaN形成功分器的匹配電阻，4)光刻去除在功率分配器、功率合成器、90°移相器、共面波導、傳感電極、固支梁的橋墩等結(jié)構(gòu)處的光刻膠，5)濺射Au，剝離形成功率分配器、功率合成器、四分之一波長CPW傳輸線的90°移相器、CPW、傳感電極、固支梁的橋墩，Au的厚度為0.3μm，6)濺射Ti/Au/Ti濺射用于電鍍支撐結(jié)構(gòu)的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300埃，7)光刻Ti/Au/Ti保留不需要電鍍的地方的光刻膠，8)電鍍Au電鍍Au的厚度為1μm，9)反刻Au層，腐蝕底金層形成支撐結(jié)構(gòu)，10)淀積SiN介質(zhì)層用PEVCD工藝生長1000埃的SiN介質(zhì)層，11)光刻并刻蝕SiN介質(zhì)層保留支撐結(jié)構(gòu)、傳感電極、傳感電極引線與地線交界處、固支梁下方的CPW部分的SiN，12)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層在GaAs襯底上涂覆1.6μm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固支梁與共面波導信號線的距離。光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留固支梁下的犧牲層，13)濺射Ti/Au/Ti濺射用于電鍍功率分配器、功率合成器、90°移相器、CPW、固支梁等結(jié)構(gòu)的底金Ti/Au/Ti＝500/1500/300埃，14)光刻Ti/Au/Ti；保留不需要電鍍的地方的光刻膠，15)電鍍Au電鍍Au的厚度為2μm，16)去除光刻膠，17)反刻Au層，腐蝕底金層形成功率分配器、功率合成器、90°移相器、CPW、固支梁等結(jié)構(gòu)，18)釋放犧牲層用顯影液溶解固支梁下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水，形成懸浮的固支梁。
區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標準如下1、測量參考信號與被測信號的相位差是基于固支梁結(jié)構(gòu)的，即第三信號產(chǎn)生靜電力將固支梁下拉，引起電容的變化，由電容檢測電路測出電容從而推出信號的相位差；2、存在正交雙通道結(jié)構(gòu)——即存在兩個通道，它們之間的相位差相差90°，可測相位差的范圍達到了整個周期；3、在固支梁結(jié)構(gòu)的下方有支撐結(jié)構(gòu)，由于支撐結(jié)構(gòu)的存在，該微波相位檢測器就實現(xiàn)在線測量，即當需要測量時，先在傳感電極上施加驅(qū)動控制信號，將固支梁下拉到支撐結(jié)構(gòu)的高度，不需要測量時固支梁較高，其插入損耗很小。
滿足以上3個條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的微電子機械正交雙通道微波相位在線檢測器。
權(quán)利要求
1.一種微電子機械正交雙通道微波相位在線檢測器，其特征在于第一功率分配器(a)的端口一接參考信號，第一功率分配器(a)的端口二、端口三分別輸出參考信號一(Ur1)和參考信號二(Ur2)并分別接第一功率合成器(c)與第二功率合成器(d)的端口二；第二功率分配器(b)的端口一接被測信號，其端口二、端口三分別輸出被測信號一(Us1)和被測信號二(Us2)并分別接第一功率合成器(c)的端口三和90°移相器(g)，在第一功率合成器(c)的端口一處形成了第三信號接到第一固支梁結(jié)構(gòu)(e)的信號輸入端；90°移相器(g)的輸出端輸出被測信號二_(Us2′)接到第二功率合成器(d)的端口三，在第二功率合成器(d)的端口一形成了第四信號，把第四信號接到第二固支梁結(jié)構(gòu)(f)的信號輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的微電子機械正交雙通道微波相位在線檢測器，其特征在于該在線檢測器以砷化鎵為襯底(1)，在襯底(1)上有功率分配器、功率合成器、90°移相器、固支梁結(jié)構(gòu)，功率分配器、功率合成器由共面波導構(gòu)成的端口一(7)、端口二(8)、端口三(9)、不對稱共面帶線(10)、氮化鉭電阻(2)組成；90°移相器直接采用四分之一波長線的共面波導傳輸線來實現(xiàn)；固支梁結(jié)構(gòu)包括信號輸入端口(16)、橋墩(5)、固支梁(13)、支撐結(jié)構(gòu)(6)、傳感電極(4)、傳感電極引線(12)、電容檢測端口(15)、空氣橋(14)組成，在固支梁(13)下方的傳輸線、支撐結(jié)構(gòu)(6)、傳感電極(4)及空氣橋(14)下方的傳感電極引線(12)的上方有氮化硅介質(zhì)層(11)。
3.一種如權(quán)利要求1所述的微電子機械正交雙通道微波相位在線檢測器的制備方法，其特征在于1)準備砷化鎵襯底選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底，其厚度為100μm，2)淀積氮化鉭，3)光刻并刻蝕氮化鉭，形成功分器的匹配電阻，4)光刻去除在功率分配器、功率合成器、90°移相器、共面波導、傳感電極、固支梁的橋墩等結(jié)構(gòu)處的光刻膠，5)濺射金，剝離去除光刻膠形成功率分配器、功率合成器、90°移相器、共面波導、傳感電極、固支梁的橋墩，金的厚度為0.3μm，6)濺射鈦/金/鈦濺射用于電鍍支撐結(jié)構(gòu)的底金鈦/金/鈦＝500/1500/300埃，7)光刻鈦/金/鈦保留不需要電鍍的地方的光刻膠，8)電鍍金電鍍金的厚度為1μm，9)去除光刻膠，反刻金層，腐蝕底金層，形成支撐結(jié)構(gòu)，10)淀積氮化硅介質(zhì)層用等離子體增強化學氣相淀積法工藝生長1000埃的氮化硅介質(zhì)層，11)光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層保留支撐結(jié)構(gòu)、傳感電極、傳感電極引線與地線交界處、固支梁下方的共面波導部分的氮化硅，12)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層在砷化鎵襯底上涂覆1.6μm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固支梁與共面波導信號線的距離，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留固支梁下的犧牲層，13)濺射鈦/金/鈦濺射用于電鍍功率分配器、功率合成器、90°移相器、共面波導、固支梁等結(jié)構(gòu)的底金鈦/金/鈦＝500/1500/300埃，14)光刻鈦/金/鈦保留不需要電鍍的地方的光刻膠，15)電鍍金電鍍金的厚度為2μm，16)去除光刻膠，17)反刻金層，腐蝕底金層，形成功率分配器、功率合成器、90°移相器、共面波導、固支梁等結(jié)構(gòu)，18)釋放犧牲層用顯影液溶解固支梁下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水，形成懸浮的固支梁。
全文摘要
微電子機械正交雙通道微波相位在線檢測器及其制備方法使得測量信號的幅度變大、測量信號的頻帶變寬、可測相位為整個周期、不需要消耗直流功率，且便于集成，該在線檢測器以砷化鎵為襯底(1)，在襯底上有功率分配器、功率合成器、90°移相器、固支梁結(jié)構(gòu)，功率分配器、功率合成器由共面波導構(gòu)成的端口一(7)、端口二(8)、端口三(9)、不對稱共面帶線(10)、氮化鉭電阻(2)組成；固支梁結(jié)構(gòu)包括信號輸入端口(16)、橋墩(5)、固支梁(13)、支撐結(jié)構(gòu)(6)、傳感電極(4)、傳感電極引線(12)、電容檢測端口(15)、空氣橋(14)組成，在固支梁下方的傳輸線、支撐結(jié)構(gòu)、傳感電極及空氣橋下方的傳感電極引線的上方有氮化硅介質(zhì)層(11)。
文檔編號G01R29/08GK101034122SQ20071002113
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, 焦永昌 申請人:東南大學