本發(fā)明提出了固支梁T型結(jié)直接加熱式微波信號(hào)檢測(cè)器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代化的技術(shù)背景下，微波信號(hào)檢測(cè)在相位調(diào)制器、相移鍵控(PSK)、鎖相環(huán)(PLL)、微波定位、天線相位方向圖的測(cè)試、近場(chǎng)診斷、測(cè)量各種微波器件的相位特性等等方面都有極其廣泛的應(yīng)用。這些系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中迫切需要重量輕、體積小、功耗低、集成度高的電子設(shè)備。而現(xiàn)有的微波功率、相位、頻率檢測(cè)器都為分立電路且體積較大，為此急需一種可對(duì)三種微波參量實(shí)現(xiàn)集成檢測(cè)的系統(tǒng)來(lái)滿足微波通訊領(lǐng)域的應(yīng)用需求。本發(fā)明即是基于Si工藝設(shè)計(jì)一種單個(gè)芯片同時(shí)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)微波功率、相位、頻率的固支梁T型結(jié)直接加熱式微波信號(hào)檢測(cè)器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：傳統(tǒng)的微波電路中的功率檢測(cè)模塊、相位檢測(cè)模塊與頻率檢測(cè)模塊是獨(dú)立分開的，分開的電路模塊不僅提高了成本，而且無(wú)形中增加了功率消耗；而本發(fā)明將微波信號(hào)的功率、相位、頻率三種測(cè)模塊集成到一起，應(yīng)用六端口固支梁耦合器端口來(lái)耦合連接不同的檢測(cè)功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)芯片同時(shí)對(duì)微波信號(hào)的功率、相位、頻率三種微波參量的檢測(cè)、具有低功耗、低成本的益處。

技術(shù)方案：本發(fā)明的固支梁T型結(jié)直接加熱式微波信號(hào)檢測(cè)器由六端口固支梁耦合器，通道選擇開關(guān)，微波頻率檢測(cè)器，微波相位檢測(cè)器，直接加熱式微波功率傳感器組成；

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(cè)信號(hào)經(jīng)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(cè)器的第一T型結(jié)功率合成器和第二T型結(jié)功率合成器，并由第一T型結(jié)功率合成器和第二T型結(jié)功率合成器分別接第四直接加熱式微波功率傳感器和第五直接加熱式微波功率傳感器；由第三端口和第五端口輸出到通道選擇開關(guān)；通道選擇開關(guān)的第七端口和第八端口接直接加熱式微波功率傳感器，通道選擇開關(guān)的第二端口和第四端口接微波頻率檢測(cè)器，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波信號(hào)功率、相位、頻率的檢測(cè)。

其中，六端口固支梁耦合器由共面波導(dǎo)，介質(zhì)層，空氣層和橫跨在其上方固支梁構(gòu)成；共面波導(dǎo)制作在SiO₂層上，固支梁的錨區(qū)制作在共面波導(dǎo)上，固支梁的下方沉積有介質(zhì)層，并與空氣層、固支梁共同構(gòu)成耦合電容結(jié)構(gòu)，兩個(gè)固支梁之間的共面波導(dǎo)長(zhǎng)度為λ/4；

有益效果：

1)本發(fā)明的固支梁T型結(jié)直接加熱式微波信號(hào)檢測(cè)器將微波信號(hào)的功率、相位、頻率三種測(cè)模塊集成到一起，應(yīng)用六端口固支梁耦合器的固支梁來(lái)耦合輸入信號(hào)到不同的檢測(cè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)芯片同時(shí)對(duì)微波信號(hào)的功率、相位、頻率三種微波參量的檢測(cè)、具有低功耗、低成本的益處；

2)本發(fā)明的固支梁T型結(jié)直接加熱式微波信號(hào)檢測(cè)器采用直接加熱式微波功率傳感器檢測(cè)微波信號(hào)的功率，具有較高的靈敏度且無(wú)直流功耗；

3)本發(fā)明的固支梁T型結(jié)直接加熱式微波信號(hào)檢測(cè)器采用T型結(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的功率合成與分配，避免了傳統(tǒng)Wilkinson功率分配器中隔離電阻的加工對(duì)微波性能的影響；

4)本發(fā)明中的微波相位檢測(cè)模塊采用兩個(gè)T型結(jié)功率合成器，一個(gè)T型結(jié)功率分配器和兩個(gè)直接加熱式微波功率傳感器實(shí)現(xiàn)0-360°的相位檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明固支梁T型結(jié)直接加熱式微波信號(hào)檢測(cè)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(guān)的俯視圖，

圖5為圖4通道選擇開關(guān)的AA’方向剖面圖，

圖6為T型結(jié)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(guān)2，微波頻率檢測(cè)器3，微波相位檢測(cè)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T型結(jié)功率合成器6-1，第二T型結(jié)功率合成器6-2，第三T型結(jié)功率合成器6-3，T型結(jié)功率分配器7，Si襯底8，SiO₂層9，共面波導(dǎo)10，錨區(qū)11，介質(zhì)層12，固支梁13，懸臂梁14，空氣層15，空氣橋16，隔直電容上極板17，輸出電極18，半導(dǎo)體臂19，金屬臂20，熱端21，冷端22，隔直電容下極板23，襯底薄膜結(jié)構(gòu)24，終端電阻25，下拉電極26，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(shí)施方式

本發(fā)明固支梁T型結(jié)直接加熱式微波信號(hào)檢測(cè)器由六端口固支梁耦合器1，通道選擇開關(guān)2，微波頻率檢測(cè)器3，微波相位檢測(cè)器4，第一直接加熱式微波功率傳感器5-1級(jí)聯(lián)構(gòu)成；微波頻率檢測(cè)器3由第三T型結(jié)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(jí)聯(lián)構(gòu)成；微波相位檢測(cè)器4由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，第一T型結(jié)功率合成器6-1，第二T型結(jié)功率合成器6-2，T型結(jié)功率分配器7構(gòu)成；六端口固支梁耦合器1由共面波導(dǎo)10，介質(zhì)層12，空氣層15和橫跨在其上方固支梁13構(gòu)成；共面波導(dǎo)10制作在SiO₂層9上，固支梁13的錨區(qū)11制作在共面波導(dǎo)10上，固支梁13的下方沉積有介質(zhì)層12，并與空氣層15、固支梁13共同構(gòu)成耦合電容結(jié)構(gòu)，兩個(gè)固支梁13之間的共面波導(dǎo)10長(zhǎng)度為λ/4；通道選擇開關(guān)2由共面波導(dǎo)10，錨區(qū)11，介質(zhì)層12，懸臂梁14，下拉電極26構(gòu)成；懸臂梁14的錨區(qū)11制作在共面波導(dǎo)10上，懸臂梁下方制作下拉電極26，并與下拉電極26上方介質(zhì)層12共同構(gòu)成開關(guān)結(jié)構(gòu)；T型結(jié)功率合成器，T型結(jié)功率分配器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，由共面波導(dǎo)10和空氣橋16構(gòu)成，信號(hào)從第十一端口6-1輸入為T型結(jié)功率分配器，信號(hào)從第十二端口6-2，第十三端口6-3輸入為T型結(jié)功率合成器；

六端口固支梁耦合器1的第一端口1-1到第三端口1-3、第四端口1-4以及第一端口1-1到第五端口1-5、第六端口1-6的功率耦合度分別相同；待測(cè)信號(hào)經(jīng)六端口固支梁耦合器1的第一端口1-1輸入，并由第二端口1-2輸出到第一直接加熱式微波功率傳感器5-1，由第四端口1-4和第六端口1-6輸出到微波相位檢測(cè)器4，由第三端口1-3和第五端口1-5輸出到通道選擇開關(guān)2；通道選擇開關(guān)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，第三直接加熱式微波功率傳感器5-3，通道選擇開關(guān)2的第九端口2-3和第十端口2-4接微波頻率檢測(cè)器3；實(shí)現(xiàn)了一個(gè)芯片同時(shí)對(duì)微波信號(hào)的功率、相位、頻率三種微波參量的檢測(cè)、具有低功耗、低成本的益處。其微波功率、相位、頻率的檢測(cè)原理可以解釋如下：

功率檢測(cè)：如圖5所示微波功率從輸入端口輸入，通過(guò)共面波導(dǎo)10輸入到終端電阻25消耗轉(zhuǎn)化成熱量；半導(dǎo)體臂19和金屬臂20構(gòu)成熱電偶，熱電偶的中間區(qū)域作為熱端21，熱電偶的邊緣區(qū)域作為冷端22；根據(jù)Seebeck效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量輸出電極18的熱電勢(shì)可知輸入微波功率大?。桓糁彪娙萆蠘O板17，隔直電容下極板23及介質(zhì)層11構(gòu)成隔直電容來(lái)防止輸出電極18短路；熱電偶的熱端21背部將襯底減薄構(gòu)成襯底薄膜結(jié)構(gòu)24用以提高檢測(cè)靈敏度。

頻率檢測(cè)：如圖1所示微波信號(hào)經(jīng)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(guān)2；通道選擇開關(guān)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(guān)2的第九端口2-3和第十端口2-4接微波頻率檢測(cè)器3；通道選擇開關(guān)2的懸臂梁14接地，下拉電極26接驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓大于等于開啟電壓時(shí)，懸臂梁14被拉下，通道被選通；當(dāng)通道選擇開關(guān)2的第七端口2-1和第八端口2-2被選通時(shí)，可以測(cè)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(gè)固支梁13之間的共面波導(dǎo)10長(zhǎng)度為λ/4，此時(shí)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(shù)。

λ為輸入微波信號(hào)的波長(zhǎng)，c是光速，ε_er為等效介電常數(shù)僅與器件結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)通道選擇開關(guān)2的第九端口2-3和第十端口2-4被選通時(shí)，兩路微波信號(hào)經(jīng)過(guò)第三T型結(jié)功率合成器6-3進(jìn)行功率合成，并應(yīng)用第六直接加熱式微波功率傳感器5-6檢測(cè)合成信號(hào)功率P_s大小，根據(jù)公式(2)可得出輸入微波信號(hào)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檢測(cè)得到。

相位檢測(cè)器：如圖1所示微波信號(hào)經(jīng)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(cè)器4進(jìn)行相位檢測(cè)；六端口固支梁耦合器1的兩個(gè)固支梁13之間的共面波導(dǎo)10長(zhǎng)度為λ/4，此時(shí)通過(guò)第四端口1-4和第六端口1-6的兩路微波信號(hào)相位差為90°；輸入功率已知為P_r，與待測(cè)信號(hào)頻率相同f(微波頻率檢測(cè)器3測(cè)得)的參考信號(hào)，參考信號(hào)經(jīng)T型結(jié)功率分配器7分成兩路功率和相位相同的信號(hào)與第四端口1-4和第六端口1-6的兩路待測(cè)信號(hào)經(jīng)第一T型結(jié)功率合成器6-1和第二T型結(jié)功率合成器6-2進(jìn)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(duì)左右兩路合成后的功率P_cs1，P_cs2進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)公式(3)得出待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)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T型結(jié)直接加熱式微波信號(hào)檢測(cè)器的制備方法包括以下幾個(gè)步驟：

1)準(zhǔn)備4英寸高阻Si襯底8，電阻率為4000Ω·cm，厚度為400mm；

2)熱生長(zhǎng)一層厚度為1.2mm的SiO₂層9；

3)化學(xué)氣相淀積(CVD)生長(zhǎng)一層多晶硅，厚度為0.4mm；

4)涂覆一層光刻膠并光刻，除多晶硅電阻區(qū)域以外，其他區(qū)域被光刻膠保護(hù)，并注入磷(P)離子，摻雜濃度為10¹⁵cm^-2，形成終端電阻25；

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(guò)干法刻蝕形成終端電阻25和半導(dǎo)體臂19；

6)涂覆一層光刻膠，光刻去除共面波導(dǎo)10、金屬互連線以及輸出電極18處的光刻膠；

7)電子束蒸發(fā)(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(dǎo)的第一層Au、熱電堆金屬互連線，隔直電容下極板23、下拉電極26以及輸出電極18；

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(zhì)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(qū)11、共面波導(dǎo)10、隔直電容上極板17以及輸出電極18位置的光刻膠；

12)蒸發(fā)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)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成懸臂梁14、固支梁13、錨區(qū)11、共面波導(dǎo)10、隔直電容上極板17和輸出電極18；

14)深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作薄膜結(jié)構(gòu)24；

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(wú)水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于：

本發(fā)明采用了新穎的六端口固支梁耦合結(jié)構(gòu)，這種固支梁耦合結(jié)構(gòu)從共面波導(dǎo)中傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)中耦合出一部分，并利用耦合出的信號(hào)來(lái)檢測(cè)微波信號(hào)的功率、頻率和相位大??；采用T型結(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)的功率合成與分配，避免了傳統(tǒng)Wilkinson功率分配器中隔離電阻的加工對(duì)微波性能的影響；采用直接加熱式微波功率傳感器來(lái)檢測(cè)信號(hào)的微波功率，具有較高的靈敏度且無(wú)直流功耗；本發(fā)明的固支梁T型結(jié)直接加熱式微波信號(hào)檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)芯片同時(shí)對(duì)微波信號(hào)的功率、相位、頻率三種微波參量的檢測(cè)、具有低功耗、低成本的益處。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的固支梁T型結(jié)直接加熱式微波信號(hào)檢測(cè)器。