本發(fā)明提出了硅基未知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器,屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術領域。
背景技術:
在當今信息科學技術飛速發(fā)展的時代,信號檢測技術一直都受到人們的高度重視,一個信號的三大參數(shù)包括頻率、相位和功率,這三個參數(shù)唯一決定了一個信號,因此信號的檢測技術也就離不開對這三大參數(shù)的測量,其中相位的測量技術起著舉足輕重的作用,在通信、航空航天以及軍事探測等領域有著潛在的巨大應用價值。一般而言,相位檢測分為已知頻率下和未知頻率下的兩種測量技術,其中未知頻率下的相位測量技術涉及到了頻率和相位的集成檢測問題,這是當今相位檢測器的普遍問題,而且當今的相位檢測器頻率都偏低,對毫米波這種極高頻率的信號進行檢測有著很大的難度,因此設計一種能夠對毫米波信號進行測量的相位檢測器極為重要。
針對以上問題,本發(fā)明在高阻Si襯底上設計了一種在未知頻率下的毫米波在線相位檢測器,采用共面波導縫隙耦合結構、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等新穎技術來實現(xiàn)毫米波未知頻率下的相位檢測,這種相位檢測器可以有效地實現(xiàn)毫米波信號的頻率以及相位的集成測量,大大簡化了結構、降低了成本,同時還提高了效率。
技術實現(xiàn)要素:
技術問題:本發(fā)明的目的是提供一種硅基未知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器,本發(fā)明設計了兩組縫隙耦合結構,一組耦合結構用來測量其頻率大小,另一組耦合結構用以測量其相位大小,在功率分配和功率合成方面則采用了T型結功分器和T型結功合器結構,在功率檢測方面采用了直接式熱電式功率傳感器。
技術方案:本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式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、一號單刀雙擲開關、二號單刀雙擲開關、一個T型結功分器、三個T型結功合器以及五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,首先來看頻率檢測模塊,一號縫隙耦合結構連接到第二端口,第二端口與一號單刀雙擲開關的輸入端相連,一號單刀雙擲開關的輸出端分別連接到一號T型結功合器和一號直接式熱電式功率傳感器,同樣的,二號縫隙耦合結構連接到第三端口,第三端口與二號單刀雙擲開關的輸入端相連,二號單刀雙擲開關的輸出端分別連接到一號T型結功合器和二號直接式熱電式功率傳感器,而一號T型結功合器的輸出端連接到三號直接式熱電式功率傳感器;再看相位檢測模塊,三號縫隙耦合結構與第四端口相連,第四端口連接到二號T型結功合器,四號縫隙耦合結構與第五端口相連,第五端口連接到三號T型結功合器,參考信號通過四號T型結功分器的輸入端輸入,四號T型結功分器的輸出端分別連接到二號T型結功合器和三號T型結功合器,然后,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,三號T型結功合器的輸出端連接五號直接式熱電式功率傳感器,第六端口處連接著后續(xù)處理電路。
首先,對于毫米波的頻率檢測模塊,它主要是由兩個縫隙耦合結構、一段移相器、兩個單刀雙擲開關、一個T型結功合器以及一個直接式功熱電式率傳感器所構成,毫米波信號首先經(jīng)過第一個縫隙耦合結構耦合出小部分的信號P1,然后經(jīng)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P2,這樣兩個耦合信號之間就產(chǎn)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,此時相位差就是90°,但是當頻率f變化時,相位差是頻率f的函數(shù):
其中f為毫米波信號的頻率,c為光速,εer為傳輸線的相對介電常數(shù),ΔL為移相器的長度,因此只要測出的值,就能得到頻率f的大小。于是將兩個耦合信號P1、P2經(jīng)過T型結功合器進行合成,再用直接式熱電式功率傳感器去檢測合成信號功率Ps的大小,合成信號的功率Ps是關于相位差的三角函數(shù)關系:
由于耦合信號P1、P2的大小未知,因此這里采用了兩個單刀雙擲開關將兩個耦合出來的小信號率先進行功率檢測,得到其功率大小,然后再通過T型結功合器進行功率合成,于是由公式(2)就能計算出頻率f的大小。注意這里的相位差只是兩個耦合小信號之間的相位差,并不是原毫米波信號的相位Φ,還需要通過相位檢測模塊來精確確定原毫米波信號的相位Φ。
其次,對于毫米波的相位檢測模塊,同樣地也是由兩個縫隙耦合結構耦合出部分小信號P3和P4,由于縫隙尺寸相同,所以它們的功率大小等于之前測得的耦合小信號P1和P2,它們的初始相位都為Φ,只是其中第二個縫隙耦合信號多傳播了相位參考信號Pc經(jīng)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PL,它是關于相位Φ的三角函數(shù)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PR,它是關于相位的三角函數(shù)關系;
其中P3=P1、P4=P2,結合這兩個關系式,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(fā)明中,采取了簡單新穎的縫隙耦合結構,這種縫隙耦合結構能夠將在共面波導中傳播的電磁場能量耦合出小部分,利用這耦合出的小信號先測得頻率的大小,然后再測其相位的大小,同時由于耦合出的信號能量非常小,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(xù)向后傳播,實現(xiàn)了未知頻率下毫米波信號的在線相位檢測,大大提高了信號檢測器的效率,具有較高的潛在應用價值。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器的俯視圖
圖2為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器中單刀雙擲開關的俯視圖
圖3為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器中單刀雙擲開關AA’方向的剖面圖
圖4為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器中T型結功分器的俯視圖
圖5為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式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6為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式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7為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式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:頻率檢測模塊1,相位檢測模塊2,共面波導傳輸線3,移相器4,縫隙耦合結構5-1,縫隙耦合結構5-2,縫隙耦合結構5-3,縫隙耦合結構5-4,扇形缺陷結構6,空氣橋7,金屬臂8,P型半導體臂9,歐姆接觸10,熱端11,冷端12,隔直電容13,輸出電極14,隔直電容下極板15,Si3N4介質(zhì)層16,隔直電容上極板17,高阻Si襯底18,SiO2層19,襯底膜結構20,一號單刀雙擲開關21,二號單刀雙擲開關22,開關梁23,錨區(qū)24,開關下拉電極板25,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(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器是基于高阻Si襯底18制作的,是由共面波導傳輸線3、一號縫隙耦合結構5-1、二號縫隙耦合結構5-2、三號縫隙耦合結構5-3、四號縫隙耦合結構5-4、移相器4、一號單刀雙擲開關21、二號單刀雙擲開關22、一個T型結功分器、三個T型結功合器以及五個直接式熱電式功率傳感器所構成。
單刀雙擲開關21是由共面波導傳輸線3、錨區(qū)24、Si3N4介質(zhì)層16、開關下拉電極板25和開關梁23組成的,共面波導傳輸線3連接到錨區(qū)24上,錨區(qū)24與兩條不同支路上的開關梁23相連接,其中一條支路連接直接式熱電式功率傳感器,另一條支路連接T型結功合器的輸入端,開關梁23下方存在著一層空氣間隙,在這個空氣間隙中安置有開關下拉電極板25,而在開關下拉電極板25上還覆蓋著一層Si3N4介質(zhì)層16。
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3、兩個扇形缺陷結構6和三個空氣橋7構成,扇形缺陷結構6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7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(xiàn)熱電轉換,它主要由共面波導傳輸線3、金屬臂8、P型半導體臂9以及一個隔直電容13構成,其中金屬臂8和P型半導體臂9構成的兩個熱電偶是并聯(lián)連接的,而共面波導傳輸線3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7-1和二5號縫隙耦合結構5-2位于共面波導傳輸線3上側地線,三號縫隙耦合結構5-3和四號縫隙耦合結構5-4則位于共面波導傳輸線3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4隔開,首先來看頻率檢測模塊1,一號縫隙耦合結構5-1連接到第二端口1-2,第二端口1-2與一號單刀雙擲開關21的輸入端相連,一號單刀雙擲開關21的輸出端分別連接到一號T型結功合器和一號直接式熱電式功率傳感器,同樣的,二號縫隙耦合結構5-2連接到第三端口1-3,第三端口1-3與二號單刀雙擲開關22的輸入端相連,二號單刀雙擲開關22的輸出端分別連接到一號T型結功合器和二號直接式熱電式功率傳感器,而一號T型結功合器的輸出端連接到三號直接式熱電式功率傳感器;再看相位檢測模塊2,三號縫隙耦合結構5-3與第四端口1-4相連,第四端口1-4連接到二號T型結功合器,四號縫隙耦合結構5-4與第五端口1-5相連,第五端口1-5連接到三號T型結功合器,參考信號通過四號T型結功分器的輸入端輸入,四號T型結功分器的輸出端分別連接到二號T型結功合器和三號T型結功合器,然后,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,三號T型結功合器的輸出端連接五號直接式熱電式功率傳感器,第六端口1-6處連接著后續(xù)處理電路。
本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式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18(4000Ω·cm),厚度為400um;
2)熱氧化生長一層SiO2層19,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8的電阻率要求。
4)利用掩模版對要制作熱電偶P型半導體臂9的地方再次進行P型離子注入,達到P型半導體臂9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8和P型半導體臂9;
6)在熱電偶的金屬臂8和P型半導體臂9連接處制作歐姆接觸10;
7)在襯底上涂覆光刻膠,去除傳輸線、隔直電容13、輸出電極14和開關下拉電極板25處的光刻膠,蒸發(fā)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、輸出電極14和開關下拉電極板25;
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(zhì)層,光刻Si3N4介質(zhì)層,僅保留要制作隔直電容13、空氣橋7和開關梁25處的Si3N4介質(zhì)層16;
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7和開關梁25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13、輸出電極14、空氣橋7和開關梁23處的光刻膠,蒸發(fā)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17、輸出電極14、空氣橋7和開關梁23;
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20地方的光刻膠,在熱電偶中間區(qū)域即熱端11下方刻蝕減薄Si襯底,形成襯底膜結構20,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7和開關梁23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?lián)]發(fā),晾干。
本發(fā)明的不同之處在于:
本發(fā)明采用了新穎的縫隙耦合結構,這種縫隙耦合結構能夠將在共面波導中傳播的電磁場能量耦合出一部分,從而利用這耦合出的部分小信號來檢測原毫米波信號的頻率和相位大小,從而實現(xiàn)了未知頻率下的毫米波在線相位檢測;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(xiàn)功率的平分或合成,這種功率分配器結構簡單,具有很好的集成性;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(xiàn)熱電轉換。這些結構不僅降低了制作成本,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(xù)向后傳播進行后續(xù)的電路處理。
滿足以上條件的結構即視為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結直接式毫米波相位檢測器。