專利名稱：呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器及制備方法
技術領域：
本發(fā)明提出了呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器及制備方法，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術領域。
背景技術：
在微波技術研究中，微波功率是表征微波信號特征的一個重要參數(shù)，微波功率的測量在無線應用和測量技術中具有非常重要的地位。目前，基于二極管的微波功率傳感器是被廣泛應用測量功率的器件之一，其利用二極管電流一電壓曲線的非線性及整流特性， 將微波信號轉換為低頻信號，在平方率區(qū)該低頻信號與輸入的微波功率成比例。它具有動態(tài)范圍和速度快等優(yōu)點，然而測量精度低且測量高功率時需要額外的衰減器等缺點。隨著 MEMS技術的快速發(fā)展，并對MEMS技術的深入研究，使基于MEMS技術實現(xiàn)微波功率測量的呈 90°角四輸入微波功率傳感器成為可能。本發(fā)明是基于此工作原理的微波功率傳感器。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明提供一種基于MEMS技術的呈90°角四輸入微波功率傳感器及制備方法，通過對稱放置四個共面波導(CPW)，它們相互之間呈90°的角，在每個共面波導的輸出端連接兩個終端匹配電阻，每個終端匹配電阻附近有一個熱電偶，將這四對熱電偶也成對稱放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，這四對熱電偶相互之間也同樣呈90°的角，從而實現(xiàn)四輸入微波功率的測量；它大大減小了芯片面積，提高了集成度。技術方案本發(fā)明的呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器以砷化鎵(GaAs) 為襯底，在襯底上設有四個CPW、八個終端匹配電阻、一個由八個熱電偶構成四對熱電偶而組成的熱電堆、兩個輸出壓焊塊、一個金屬散熱片以及連接線，在襯底下形成一個MEMS襯底膜結構
CPW用于實現(xiàn)微波信號的傳輸，采用金材料。每個CPW由一條CPW的信號線和兩條CPW 的地線組成。終端匹配電阻采用氮化鉭材料制成，完全吸收由CPW輸入端傳輸?shù)奈⒉üβ剩⑥D換為熱量。熱電堆是由八個熱電偶構成四對熱電偶而組成，所述熱電偶包括半導體熱偶臂和金屬熱偶臂，采用金和輕摻雜的砷化鎵材料構成。每個熱電偶靠近一個終端匹配電阻，但不與該終端匹配電阻連接；熱電堆靠近終端電阻的一端吸收到這種熱量，并引起這端溫度的升高，即為熱電堆的熱端，然而熱電堆的另一端的溫度被作為環(huán)境溫度，即為熱電堆的冷端，由于熱電堆熱冷兩端溫度的不同，根據(jù)Seebeck效應，在熱電堆的輸出壓焊塊上產生熱電勢的輸出。熱電偶之間以及熱電堆與輸出壓焊塊之間通過連接線實現(xiàn)連接。金屬散熱片采用金材料制成，被熱電堆的冷端環(huán)繞，用于維持熱電堆的冷端溫度為環(huán)境溫度，從而提高熱電堆熱冷兩端的溫差。
為了提高熱量由終端電阻向熱電堆的熱端傳輸?shù)男?，進而提高熱電堆兩端的溫差，以提高微波功率傳感器的靈敏度，可以將終端電阻和熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底通過MEMS背面刻蝕技術刻蝕減薄，形成襯底膜結構。在機械結構上，CPW、終端匹配電阻、熱電堆、輸出壓焊塊、金屬散熱片以及連接線制作在同一塊GaAs襯底上。本發(fā)明的呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器通過對稱放置四個CPW，它們相互之間呈90°的角，在每個CPW的輸出端連接兩個終端匹配電阻，每個終端匹配電阻附近有一個熱電偶，將這四對熱電偶也成對稱放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，這四對熱電偶相互之間也同樣呈90°的角，從而實現(xiàn)四輸入微波功率的測量。當一個、兩個、三個或者四個待測的微波信號分別通過一個、兩個、三個或者四個CPW輸入端引入時，在其CPW輸出端并聯(lián)的終端匹配電阻分別吸收這些微波功率而產生熱量，使終端電阻周圍的溫度升高，放置在該終端電阻附近的熱電偶分別測量其溫度差，基于kebeck效應，在熱電堆的輸出壓焊塊上產生熱電勢的輸出，從而實現(xiàn)單輸入、雙輸入、三輸入或者四輸入微波功率的測量。呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器的制備方法為
1)準備襯底選用外延的半絕緣砷化鎵襯底作為基底，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度為為IO18CnT3，其方塊電阻值為100 130 Ω / □；
2)在外延的N+砷化鎵襯底涂覆光刻膠，保留預備制作歐姆接觸區(qū)和初步形成熱電堆的半導體熱偶臂的光刻膠，然后去除光刻膠地方的外延的N+砷化鎵被隔離，形成歐姆接觸區(qū)和初步形成熱電堆的半導體熱偶臂；
3)反刻步驟2)中初步形成的熱電堆半導體熱偶臂，完全形成其摻雜濃度為IO17CnT3的熱電堆的半導體熱偶臂；
4)在步驟3)得到的襯底上涂覆光刻膠，去除預備制作熱電堆的金屬熱偶臂處的光刻
膠；
5)在襯底上濺射金鍺鎳/金，其厚度共為2700A；
6)剝離去除步驟4)中留下的光刻膠，連帶去除了光刻膠上的金鍺鎳/金，形成熱電堆的金屬熱偶臂；
7)在步驟6)得到的襯底上涂覆光刻膠，去除預備制作終端匹配電阻處的光刻膠；
8)在襯底上濺射氮化鉭，其厚度為1/zm;
9)將步驟7)中留下的光刻膠剝離去除，連帶去除光刻膠上面的氮化鉭，初步形成由氮化鉭構成的終端匹配電阻；
10)在砷化鎵襯底上涂覆光刻膠，去除預備制作CPW、金屬散熱片、輸出壓焊塊以及連接線地方的光刻膠；
11)在襯底上通過蒸發(fā)方式生長一層金，其厚度為0.3// m ；
12)將步驟10)留下的光刻膠去除，連帶去除了光刻膠上面的金，初步形成CPW、金屬散熱片、輸出壓焊塊以及連接線；
13)反刻氮化鉭，形成與CPW輸出端相連接的終端匹配電I其方塊電阻均為25Ω / □；
14)通過蒸發(fā)方式生長用于電鍍的底金蒸發(fā)鈦/金/鈦，作為底金，其厚度為 500/1500/300A ；
15)涂覆光刻膠，去除預備制作CPW，金屬散熱片、輸出壓焊塊以及連接線地方的光刻膠；
16)電鍍一層金，其厚度為2//m;
17)去除步驟15)中留下的光刻膠；
18)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成CPW，金屬散熱片、輸出壓焊塊以及連接線；
19)將該砷化鎵襯底背面減薄至100//m ；
20)在砷化鎵襯底的背面涂覆光刻膠，去除預備在砷化鎵背面形成膜結構地方的光刻
膠；
21)刻蝕減薄終端匹配電阻和熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底，形成膜結構，刻蝕 SOp m的襯底厚度，保留20// m的膜結構。有益效果本發(fā)明的呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器不但具有低損耗、高靈敏度和好的線性度等傳統(tǒng)熱電式微波功率傳感器的優(yōu)點，而且具有實現(xiàn)四輸入微波功率的測量、高的集成度以及與砷化鎵單片微波集成電路兼容的優(yōu)點。


圖1是呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器的示意圖； 圖2是呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器的A-A剖面圖； 圖3是呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器的B-B剖面圖中包括四個微波信號輸入端1、2、3和4，CPW 5，終端匹配電阻6，由八個熱電偶7構成的熱電堆，半導體熱偶臂8，金屬熱偶臂9，金屬散熱片10，輸出壓焊塊11，MEMS襯底的膜結構12，連接線13，砷化鎵襯底14。
具體實施例方式本發(fā)明的呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器的具體實施方案如下 在砷化鎵襯底14上設有四個CPW 5、八個終端匹配電阻6、一個由八個熱電偶7構成四
對熱電偶7而組成的熱電堆、兩個輸出壓焊塊11、一個金屬散熱片10以及連接線13，在襯底14下形成一個MEMS襯底膜結構12
CPff 5用于實現(xiàn)微波信號的傳輸，采用金材料。每個CPW 5由一條CPW的信號線和兩條 CPff的地線組成。終端匹配電阻6采用氮化鉭材料制成，完全吸收由CPW 5輸入端1、2、3和4傳輸?shù)奈⒉üβ?，并轉換為熱量。熱電堆是由八個熱電偶7構成四對熱電偶7而組成的，所述熱電偶7包括半導體熱偶臂8和金屬熱偶臂9，采用金和輕摻雜的砷化鎵材料構成。每個熱電偶7靠近一個終端匹配電阻6，但不與該終端電阻6連接；熱電堆靠近終端電阻6的一端吸收到這種熱量，并引起這端溫度的升高，即為熱電堆的熱端，然而熱電堆的另一端的溫度被作為環(huán)境溫度，即為熱電堆的冷端，由于熱電堆熱冷兩端溫度的不同，根據(jù)Seebeck效應，在熱電堆的輸出壓焊塊11上產生熱電勢的輸出。熱電偶7之間以及熱電堆與輸出壓焊塊11之間通過連接線13實現(xiàn)連接。金屬散熱片10采用金材料制成，被熱電堆的冷端環(huán)繞，用于維持熱電堆的冷端溫度為環(huán)境溫度，從而提高熱電堆熱冷兩端的溫差。
為了提高熱量由終端電阻6向熱電堆的熱端傳輸?shù)男?，進而提高熱電堆兩端的溫差，以提高微波功率傳感器的靈敏度，可以將終端電阻6和熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底14通過MEMS背面刻蝕技術刻蝕減薄，形成襯底膜結構12。在機械結構上，CPff 5、終端匹配電阻6、熱電堆、輸出壓焊塊11、金屬散熱片10以及連接線13制作在同一塊GaAs襯底14上。本發(fā)明的呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器通過對稱放置四個CPW 5， 它們相互之間呈90°的角，在每個CPW 5的輸出端連接兩個終端匹配電阻6，每個終端匹配電阻6附近有一個熱電偶7，將這四對熱電偶7也成對稱放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，這四對熱電偶7相互之間也同樣呈90°的角，從而實現(xiàn)四輸入微波功率的測量。當一個、兩個、 三個或者四個待測的微波信號分別通過一個、兩個、三個或者四個CPW輸入端1、2、3和4引入時，在其CPW 5輸出端并聯(lián)的終端匹配電阻6分別吸收這些微波功率而產生熱量，使終端電阻6周圍的溫度升高，放置在該終端電阻6附近的熱電偶7分別測量其溫度差，基于 kebeck效應，在熱電堆的輸出壓焊塊11上產生熱電勢的輸出，從而實現(xiàn)單輸入、雙輸入、 三輸入或者四輸入微波功率的測量。呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器的制備方法為
1)準備襯底14選用外延的半絕緣砷化鎵襯底14作為基底，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度為為IO18CnT3，其方塊電阻值為100 130 Ω / □；
2)在外延的N+砷化鎵襯底14涂覆光刻膠，保留預備制作歐姆接觸區(qū)和初步形成熱電堆的半導體熱偶臂8的光刻膠，然后去除光刻膠地方的外延的N+砷化鎵被隔離，形成歐姆接觸區(qū)和初步形成熱電堆的半導體熱偶臂8 ；
3)反刻步驟2)中初步形成的熱電堆半導體熱偶臂8，完全形成其摻雜濃度為IO17CnT3 的熱電堆的半導體熱偶臂8;
4)在步驟3)得到的襯底14上涂覆光刻膠，去除預備制作熱電堆的金屬熱偶臂9處的光刻膠；
5)在襯底14上濺射金鍺鎳/金，其厚度共為2700A；
6)剝離去除步驟4)中留下的光刻膠，連帶去除了光刻膠上的金鍺鎳/金，形成熱電堆的金屬熱偶臂9 ；
7)在步驟6)得到的襯底14上涂覆光刻膠，去除預備制作終端匹配電阻6處的光刻膠；
8)在襯底14上濺射氮化鉭，其厚度為1//m ；
9)將步驟7)中留下的光刻膠剝離去除，連帶去除光刻膠上面的氮化鉭，初步形成由氮化鉭構成的終端匹配電阻6 ；
10)在砷化鎵襯底14上涂覆光刻膠，去除預備制作CPW5、金屬散熱片10、輸出壓焊塊 11以及連接線13地方的光刻膠；
11)在襯底14上通過蒸發(fā)方式生長一層金，其厚度為0.3// m ；
12)將步驟10)留下的光刻膠去除，連帶去除了光刻膠上面的金，初步形成CPW5、金屬散熱片10、輸出壓焊塊11以及連接線13 ；
13)反刻氮化鉭，形成與CPW5輸出端相連接的終端匹配電阻6，其方塊電阻均為 25 Ω / □；
14)通過蒸發(fā)方式生長用于電鍍的底金蒸發(fā)鈦/金/鈦，作為底金，其厚度為500/1500/300A ；
15)涂覆光刻膠，去除預備制作CPW5，金屬散熱片10、輸出壓焊塊11以及連接線13地方的光刻膠；
16)電鍍一層金，其厚度為2//m;
17)去除步驟15)中留下的光刻膠；
18)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成CPW5，金屬散熱片10、輸出壓焊塊11以及連接線
13 ；
19)將該砷化鎵襯底14背面減薄至100//m ；
20)在砷化鎵襯底14的背面涂覆光刻膠，去除預備在砷化鎵14背面形成膜結構12地方的光刻膠；
21)刻蝕減薄終端匹配電阻6和熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底14，形成膜結構12，刻蝕80// m的襯底厚度，保留20// m的膜結構12。 區(qū)分是否為該結構的標準如下
本發(fā)明的呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器，通過對稱放置四個CPW 5，它們相互之間呈90°的角，在每個CPW的輸出端連接兩個終端匹配電阻6，每個終端匹配電阻6 附近有一個熱電偶7，將這四對熱電偶7也成對稱放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，這四對熱電偶7相互之間也同樣呈90°的角，從而實現(xiàn)四輸入微波功率的測量；滿足以上條件的結構即視為本發(fā)明的呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器。
權利要求
1.一種呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器，其特征在于該結構制作在砷化鎵襯底(14)上，在砷化鎵襯底(14)上有四個CPW (5)，它們彼此對稱放置且相互之間呈90° 的角，在每個CPW (5)輸出端連接兩個終端匹配電阻(6)，每個終端匹配電阻附近有一個熱電偶(7 )，這八個熱電偶(7 )構成四對熱電偶(7 )也呈對稱放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，在這熱電堆的兩端有兩個輸出壓焊塊(11)，熱電堆的熱端靠近終端匹配電阻(6)而熱電堆的冷端靠近金屬散熱片(10);在砷化鎵襯底(14)背面有MEMS襯底膜結構(12)，它位于終端匹配電阻(6)和熱電堆的熱端下方。
2.根據(jù)權利要求1所述的呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器，其特征在于 所述用于傳輸微波信號的輸入端口(1、2、3和4)個數(shù)為四個，且彼此對稱放置及相互之間呈90°的角。
3.根據(jù)權利要求1所述的呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器，其特征在于 每個CPW輸出連接兩個終端匹配電阻(6)的方式為并聯(lián)連接；在終端電阻(6)附近，由八個熱電偶(7)構成的四對熱電偶(7)同樣呈對稱放置，且相互之間呈90°的角；熱電偶(7)之間以及熱電堆與輸出壓焊塊(11)之間通過連接線(13)實現(xiàn)連接。
4.一種如權利要求1所述的呈90°角四輸入微電子機械微波功率傳感器的制備方法， 其特征在于制備方法為1)準備襯底(14):選用外延的半絕緣砷化鎵襯底(14)作為基底，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度為為IO18CnT3，其方塊電阻值為100 130 Ω / 口 ；2)在外延的N+砷化鎵襯底(14)涂覆光刻膠，保留預備制作歐姆接觸區(qū)和初步形成熱電堆的半導體熱偶臂(8)的光刻膠，然后去除光刻膠地方的外延的N+砷化鎵被隔離，形成歐姆接觸區(qū)和初步形成熱電堆的半導體熱偶臂(8)；3)反刻步驟2)中初步形成的熱電堆半導體熱偶臂(8)，完全形成其摻雜濃度為IO17CnT3 的熱電堆的半導體熱偶臂(8);4)在步驟3)得到的襯底(14)上涂覆光刻膠，去除預備制作熱電堆的金屬熱偶臂(9) 處的光刻膠；5)在襯底(14)上濺射金鍺鎳/金，其厚度共為2700A；6)剝離去除步驟4)中留下的光刻膠，連帶去除了光刻膠上的金鍺鎳/金，形成熱電堆的金屬熱偶臂(9);7)在步驟6)得到的襯底(14)上涂覆光刻膠，去除預備制作終端匹配電阻(6)處的光刻膠；8)在襯底(14)上濺射氮化鉭，其厚度為1//m ；9)將步驟7)中留下的光刻膠剝離去除，連帶去除光刻膠上面的氮化鉭，初步形成由氮化鉭構成的終端匹配電阻(6)；10)在砷化鎵襯底(14)上涂覆光刻膠，去除預備制作CPW(5)、金屬散熱片(10)、輸出壓焊塊(11)以及連接線(13)地方的光刻膠；11)在襯底(14)上通過蒸發(fā)方式生長一層金，其厚度為0.3// m ；12)將步驟10)留下的光刻膠去除，連帶去除了光刻膠上面的金，初步形成CPW(5)、金屬散熱片(10)、輸出壓焊塊(11)以及連接線(13)；13)反刻氮化鉭，形成與CPW(5)輸出端相連接的終端匹配電阻(6)，其方塊電阻均為25Ω / □；14)通過蒸發(fā)方式生長用于電鍍的底金蒸發(fā)鈦/金/鈦，作為底金，其厚度為 500/1500/300A ；15)涂覆光刻膠，去除預備制作CPW(5)，金屬散熱片(10)、輸出壓焊塊(11)以及連接線(13)地方的光刻膠；16)電鍍一層金，其厚度為2//m;17)去除步驟15)中留下的光刻膠；18)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成CPW(5)，金屬散熱片(10)、輸出壓焊塊(11)以及連接線(13)；19)將該砷化鎵襯底(14)背面減薄至100//m ；20)在砷化鎵襯底(14)的背面涂覆光刻膠，去除預備在砷化鎵(14)背面形成膜結構 (12)地方的光刻膠;21)刻蝕減薄終端匹配電阻(6)和熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底(14)，形成膜結構 (12)，刻蝕80//m的襯底厚度，保留20" m的膜結構(12)。
全文摘要
本發(fā)明的呈90o角四輸入微電子機械微波功率傳感器，具有四個用于傳輸微波信號的CPW輸入端，它們彼此對稱放置且相互之間呈90o的角，在每個CPW的輸出端連接兩個終端匹配電阻，每個終端匹配電阻附近有一個熱電偶，將這四對熱電偶也成對稱放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，這四對熱電偶相互之間也同樣呈90o的角，從而實現(xiàn)了四輸入微波功率的測量，它大大減小了芯片面積，提高了集成度；而且，本發(fā)明的四輸入微電子機械微波功率傳感器還具有低損耗、高靈敏度、好的線性度等傳統(tǒng)熱電式微波功率傳感器的優(yōu)點。
文檔編號B81C1/00GK102411087SQ201110229449
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月11日 優(yōu)先權日2011年8月11日
發(fā)明者廖小平, 張志強 申請人:東南大學