專利名稱：微電子機(jī)械懸臂梁式微波功率耦合器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種基于懸臂梁式的微波功率耦合器及其制備方法，屬于微電 子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微波功率耦合器是微波測(cè)量以及其它微波系統(tǒng)中的常用器件，我們通常使用 定向耦合器對(duì)微波功率進(jìn)行耦合。定向耦合器是一種具有方向性的微波功率分配 器件，通常有波導(dǎo)、同軸線、帶狀線及微帶線等幾種類型。定向耦合器包含主線 和副線兩部分，在主線中傳輸?shù)奈⒉üβ释ㄟ^(guò)小孔或間隙等耦合途徑，將一部分 功率耦合到副線中去。對(duì)于X到K波段的微波信號(hào)常常使用微帶線耦合器。
通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，微帶線耦合器的缺點(diǎn)在于只要主線上有 信號(hào)，副線上就存在耦合的信號(hào)。在主線工作的時(shí)候，總是會(huì)有一定的功率被耦 合到副線，造成不必要的損耗。同時(shí)，副線對(duì)于主線也存在一定的信號(hào)反饋。 本發(fā)明提供一種基于MEMS技術(shù)的懸臂梁式的微波功率耦合器及其制備方法， 可以很好地解決在微帶線耦合器中所出現(xiàn)的問(wèn)題。同時(shí)，基于MEMS技術(shù)的懸臂梁 式微波功率耦合器的工藝與傳統(tǒng)畫(huà)IC工藝兼容。另外本發(fā)明具有在X到K波段內(nèi)的 插入損耗小，隔離度高等優(yōu)點(diǎn)。滿足高性能的微波集成電路的應(yīng)用要求。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種基于MEMS技術(shù)的懸臂梁式的微波功 率耦合器及其制備方法，通過(guò)制作不同尺寸的MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)，在寬度r一定 的時(shí)候，控制懸臂梁的長(zhǎng)度Z，就可以改變微波功率耦合器的耦合度。.
技術(shù)方案本發(fā)明提出的基于懸臂梁式的微波功率耦合器，包括一個(gè)MEMS 懸臂梁和CPW的微波信號(hào)傳輸線，整個(gè)懸臂梁式微波功率耦合器的俯視圖如圖1 所示。圖2與圖3分別是懸臂梁式微波功率耦合器處于Up態(tài)與Down態(tài)下的A-A 面剖視圖。該微波功率耦合器以砷化鎵為襯底，在襯底上并排順序設(shè)有第一CPW地線、 CPW中心信號(hào)線、下拉電極，在下拉電極的兩端分別設(shè)有第二CPW地線、第三CPW 地線，第一氮化硅介質(zhì)層覆蓋在下拉電極上，第二氮化硅介質(zhì)層覆蓋在CPW中心 信號(hào)線上；懸臂梁的一端通過(guò)懸臂梁的錨區(qū)連接在輸出端CPW信號(hào)線上，懸臂梁 的另一端位于第一氮化硅介質(zhì)層)、第二氮化硅介質(zhì)層的上方；與懸臂梁連接的 CPW中心信號(hào)線、CPW地線、懸臂梁、錨區(qū)、輸出端CPW信號(hào)線和下拉電極均采用 金制作；不施加下拉電壓時(shí)，懸臂梁懸置于CPW中心信號(hào)線上，當(dāng)施加下拉電壓 后，懸臂梁下拉至懸臂梁的末端與第二氮化硅介質(zhì)層接觸，此時(shí)，懸臂梁末端、 CPW中心信號(hào)線和第二氮化硅介質(zhì)層構(gòu)成一個(gè)金屬-絕緣體-金屬M(fèi)IM電容，微波信 號(hào)通過(guò)此MIM電容耦合到輸出端，微波功率耦合器處于Down態(tài)。
該方法具體包括以下步驟
第一步.準(zhǔn)備襯底選用未摻雜的砷化鎵作為襯底； 第二步.光刻形成第一層金屬的光刻膠；
第三步.在沒(méi)有覆蓋光刻膠的位置濺射800/300/2200A厚的Au/GeNi/Au層， 并形成第一CPW地線、第二CPW地線、第三CPW地線、輸出端CPW信號(hào)線以及下 拉電極；
第四步.在下拉電極以及中心信號(hào)線上分別淀積1000A第一氮化硅介質(zhì)層、 第二氮化硅介質(zhì)層；
第五步.在中心信號(hào)線以及輸出端CPW信號(hào)線之間淀積聚酰亞胺犧牲層，淀 積1. 6微米厚的聚酰亞胺犧牲層，并且光刻形成懸臂梁的結(jié)構(gòu)；
第六步.在不需要電鍍的地方制作光刻膠；
第七步.在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti層，濺射并光刻 Ti/Au/Ti層，厚度為500/1500/300A，保留不需要電鍍的地方的光刻膠，形成 用于電鍍懸臂梁的底金種子層；
第八步.在底金Ti/Au/Ti上電鍍Au層；
第十步.反刻Ti/Au/Ti層，并釋放聚酰亞胺犧牲層，形成懸空的懸臂梁結(jié)構(gòu)。 有益效果本發(fā)明只需要簡(jiǎn)單的控制MEMS懸臂梁的Up與Down態(tài)，就可以 達(dá)到實(shí)現(xiàn)微波功率的耦合。整個(gè)微波功率耦合器的耦合度大小主要由MEMS懸臂梁 結(jié)構(gòu)的G,電容決定，本發(fā)明中的微波功率耦合器的結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)的微帶 線耦合器思維限制。該基于MEMS懸臂梁式微波功率耦合器的工藝與傳統(tǒng)GaAs畫(huà)IC工藝兼容，增加了本發(fā)明的實(shí)用性；另外本發(fā)明由于使用金作為CPW信號(hào) 線材料以及采用GaAs作為襯底，具有頻率范圍寬、靈敏度高、微波條件下的損 耗小等優(yōu)點(diǎn)。
圖1是懸臂梁式微波功率耦合器的俯視圖2是懸臂梁式微波功率耦合器處于Up態(tài)下的A-A面剖視圖3是懸臂梁式微波功率耦合器處于Down態(tài)下的A-A面剖視圖4是懸臂梁式微波功率耦合器處于Up態(tài)下的5"參數(shù)；
圖5是懸臂梁式微波功率耦合器處于Down態(tài)下的參數(shù)；
圖6-l 6=10是制作過(guò)程的流程圖。
以上圖中有GaAs襯底l， CPW中心信號(hào)線2，第一CPW地線31、第二 CPW 地線32、第三CPW地線33，懸臂梁4，第一氮化硅介質(zhì)層5，懸臂梁的錨區(qū)6， 輸出端CPW信號(hào)線7，第二氮化硅介質(zhì)層8以及下拉電極9， Au/GeNi/Au層10， 光刻膠ll，聚酰亞胺犧牲層12， Ti/Au/Ti層13。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示的MEMS懸臂梁式微波功率耦合器以砷化鎵為襯底，與懸臂梁連接 的CPW中心信號(hào)線2、第一CPW地線31、第二CPW地線32、第三CPW地線33、懸臂梁4、 錨區(qū)6、輸出端CPW信號(hào)線7和下拉電極9均采用金制作，覆蓋在下拉電極9和CPW 中心信號(hào)線2上的是第一氮化硅介質(zhì)層5和第二氮化硅介質(zhì)層8。如果不施加下拉 電壓(注下拉電壓由連接至下拉電極9的金屬線或電阻偏置線施加，)，懸臂梁4 懸浮于CPW中心信號(hào)線2上，基本不耦合微波信號(hào)，此時(shí)微波功率耦合器處于Up 態(tài)，如圖2所示。當(dāng)施加下拉電壓后，下拉電極9和懸臂梁4之間由于電壓差產(chǎn)生 靜電力吸引，使懸臂梁4下拉，直至懸臂梁4的末端與第二氮化硅介質(zhì)層8接觸， 如圖3所示。此時(shí)，懸臂梁4末端、CPW中心信號(hào)線2和第二氮化硅介質(zhì)層8構(gòu)成一 個(gè)MIM (金屬-絕緣體-金屬)電容，該電容值一般為幾到幾十個(gè)pF，微波信號(hào)可 以通過(guò)此MIM電容耦合到輸出端，微波功率耦合器處于Down態(tài)。
如圖2所示的電路，當(dāng)微波功率耦合器處于Up態(tài)時(shí)，MEMS懸臂梁式微波功率 耦合器的MEMS懸臂梁與CPW中心信號(hào)線間的電容值為Gp;當(dāng)施加驅(qū)動(dòng)電壓使MEMS 懸臂梁處于DOTO態(tài)時(shí)，此時(shí)電容值為G，。由于微波功率耦合器所耦合出來(lái)的功率與G,有很大的關(guān)系，因此，調(diào)節(jié)C可以改變微波功率耦合器的耦合度。在 Down態(tài)下，G,主要由懸臂梁和CPW中心信號(hào)線交疊面積決定，因此，對(duì)于不同的 耦合度的要求，無(wú)須改變懸臂梁的寬度^;只需在設(shè)計(jì)的時(shí)候簡(jiǎn)單的改變懸臂梁 的長(zhǎng)度Z即可。
通過(guò)以上的分析可以看出，本發(fā)明提出的MEMS懸臂梁式微波功率耦合器只需 要為懸臂梁施加一定的電壓，就可以將使端口3和CPW中心信號(hào)線之間形成一個(gè)微 波耦合通路，從而使信號(hào)順利耦合到端口3。其Down態(tài)與Up態(tài)下的5"參數(shù)如圖4 和圖5所示。圖4中，5!,為回波損耗，^為插入損耗，^為耦合度，^在10GHz 處為-10dB，耦合的功率約為CPW中心信號(hào)線上的功率的1(^。圖5中，5"u為回波損 耗，&為插入損耗，^為隔離度，又在10GHz處為-30dB。
區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下在CPW中心信號(hào)線上方設(shè)置懸臂梁，并通過(guò) 懸臂梁對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行耦合，通過(guò)改變懸臂梁的長(zhǎng)度Z來(lái)改變耦合度。滿足以 上條件即應(yīng)視為MEMS懸臂梁式微波功率耦合器。
以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖3所示，對(duì)本發(fā)明具體的實(shí)現(xiàn)工藝進(jìn)行說(shuō)明
第一步.準(zhǔn)備襯底選用未摻雜的砷化鎵作為襯底l;
第二步.光刻形成第一層金屬的光刻膠ll;
第三步.在沒(méi)有覆蓋光刻膠的位置濺射800/300/2200A厚的Au/GeNi/Au層 10，并形成第一CPW地線31、第二CPW地線32、第三CPW地線33、輸出端CPW 信號(hào)線7以及下拉電極9;
第四步.在下拉電極9以及中心信號(hào)線2上分別淀積1000A第一氮化硅介質(zhì) 層5,第二氮化硅介質(zhì)層8;
第五步.在中心信號(hào)線2以及輸出端CPW信號(hào)線7之間淀積聚酰亞胺犧牲層 12)，淀積1.6微米厚的聚酰亞胺犧牲層，并且光刻形成懸臂梁的結(jié)構(gòu)；
第六步.在不需要電鍍的地方制作光刻膠ll;
第七步.在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti層，濺射并光刻 Ti/Au/Ti層13，厚度為500/1500/300A,保留不需要電鍍的地方的光刻膠，形 成用于電鍍懸臂梁4的底金種子層；
第八步.在底金Ti/Au/Til3上電鍍Au層；
第十步.反刻Ti/Au/Ti層13，并釋放聚酰亞胺犧牲層12，形成懸空的懸臂 梁(4)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1. 一種基于懸臂梁式的微波功率耦合器，其特征在于該微波功率耦合器以砷化鎵為襯底(1)，在襯底(1)上并排順序設(shè)有第一CPW地線(31)、CPW中心信號(hào)線(2)、下拉電極(9)，在下拉電極(9)的兩端分別設(shè)有第二CPW地線(32)、第三CPW地線(33)，第一氮化硅介質(zhì)層(5)覆蓋在下拉電極(9)上，第二氮化硅介質(zhì)層(8)覆蓋在CPW中心信號(hào)線(2)上；懸臂梁(4)的一端通過(guò)懸臂梁的錨區(qū)(6)連接在輸出端CPW信號(hào)線(7)上，懸臂梁(4)的另一端位于第一氮化硅介質(zhì)層(5)、第二氮化硅介質(zhì)層(8)的上方；與懸臂梁連接的CPW中心信號(hào)線(2)、CPW地線(3)、懸臂梁(4)、錨區(qū)(6)、輸出端CPW信號(hào)線(7)和下拉電極(9)均采用金制作；不施加下拉電壓時(shí)，懸臂梁(4)懸置于CPW中心信號(hào)線(2)上，當(dāng)施加下拉電壓后，懸臂梁(4)下拉至懸臂梁(4)的末端與第二氮化硅介質(zhì)層(8)接觸，此時(shí)，懸臂梁(4)末端、CPW中心信號(hào)線(2)和第二氮化硅介質(zhì)層(8)構(gòu)成一個(gè)金屬-絕緣體-金屬M(fèi)IM電容，微波信號(hào)通過(guò)此MIM電容耦合到輸出端，微波功率耦合器處于Down態(tài)。
2. —種如權(quán)利要求l所述的基于懸臂梁式微波功率耦合器的制備方法，其特 征在于該方法具體包括以下步驟第一步.準(zhǔn)備襯底選用未摻雜的砷化鎵作為襯底(1); 第二步.光刻形成第一層金屬的光刻膠(ll);第三步.在沒(méi)有覆蓋光刻膠的位置濺射800/300/2200A厚的Au/GeNi/Au層 (10)，并形成第一 CPW地線(31)、第二CP沐地線(32)、第三CPW地線(33)、 輸出端CPW信號(hào)線(7)以及下拉電極(9);第四步.在下拉電極(9)以及中心信號(hào)線(2)上分別淀積1000A第一氮化 硅介質(zhì)層(5)、第二氮化硅介質(zhì)層(8);第五步.在中心信號(hào)線(2)以及輸出端CPW信號(hào)線(7)之間淀積聚酰亞胺 犧牲層(12)，淀積1.6微米厚的聚酰亞胺犧牲層，并且光刻形成懸臂梁的結(jié)構(gòu)；第六步.在不需要電鍍的地方制作光刻膠(11);第七步.在聚酰亞胺層上濺射用于電鍍的底金Ti/Au/Ti層，濺射并光刻 Ti/Au/Ti層(13)，厚度為500/1500/300A，保留不需要電鍍的地方的光刻膠，形 成用于電鍍懸臂梁(4)的底金種子層；第八步.在底金Ti/Au/Ti (13)上電鍍Au層；第十步.反刻Ti/Au/Ti層(13)，并釋放聚酰亞胺犧牲層(12)，形成懸空 的懸臂梁(4)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
微電子機(jī)械懸臂梁式微波功率耦合器及其制備方法，通過(guò)制作不同尺寸的MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)，在寬度W一定的時(shí)候，控制懸臂梁的長(zhǎng)度L，就可以改變微波功率耦合器的耦合度。在襯底(1)上并排順序設(shè)有第一CPW地線(31)、CPW中心信號(hào)線(2)、下拉電極(9)，在下拉電極(9)的兩端分別設(shè)有第二CPW地線(32)、第三CPW地線(33)，第一氮化硅介質(zhì)層(5)覆蓋在下拉電極(9)上，第二氮化硅介質(zhì)層(8)覆蓋在CPW中心信號(hào)線(2)上；懸臂梁(4)的一端通過(guò)懸臂梁的錨區(qū)(6)連接在輸出端CPW信號(hào)線(7)上，另一端位于第一氮化硅介質(zhì)層(5)、第二氮化硅介質(zhì)層(8)的上方。
文檔編號(hào)B81C1/00GK101414701SQ200810236278
公開(kāi)日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2008年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月19日
發(fā)明者廖小平, 適 蘇 申請(qǐng)人:東南大學(xué)