專(zhuān)利名稱(chēng)：四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器及制備方法，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在微波技術(shù)研究中，微波功率是 表征微波信號(hào)特征的一個(gè)重要參數(shù)，微波功率的測(cè)量在無(wú)線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用中具有重要的地位。微波功率傳感器類(lèi)似于低頻電路中的電壓電流表。傳統(tǒng)的微波功率計(jì)采用波導(dǎo)形式的微波功率傳感器常用鉍-銻作為熱電偶，采用同軸電纜作為傳輸線(xiàn)，其主要缺點(diǎn)是體積大和無(wú)法實(shí)現(xiàn)與微波電路的集成等。近年來(lái)，隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，基于共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的熱電式微波功率傳感器是被廣泛應(yīng)用的器件之一。它的工作原理為輸入的待測(cè)微波功率從共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的一端被引入，在傳輸線(xiàn)另一端連接的終端匹配電阻吸收該微波功率而轉(zhuǎn)化為熱，并通過(guò)熱電偶探測(cè)該匹配電阻附近的溫差，并將之轉(zhuǎn)化為熱電勢(shì)輸出，實(shí)現(xiàn)微波功率的測(cè)量。其主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、低的損耗、高的靈敏度和好的線(xiàn)性度，且與硅或砷化鎵微機(jī)械加工工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明即為基于此工作原理的微波功率傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明提供一種基于MEMS技術(shù)的四輸入懸臂梁熱電式微波功率傳感器及制備方法，首先，將四個(gè)主線(xiàn)共面波導(dǎo)(CPW)對(duì)稱(chēng)放置且相互之間呈90°角，主線(xiàn)CPW的特征阻抗均為50 Ω，在每個(gè)主線(xiàn)CPW的輸出端并聯(lián)兩個(gè)100 Ω終端匹配電阻，每個(gè)終端匹配電阻附近有一個(gè)熱電偶，將這四對(duì)熱電偶相互之間呈90°的角放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，從而實(shí)現(xiàn)片上四輸入微波功率的測(cè)量；其次，四個(gè)MEMS懸臂梁分別橫跨在四個(gè)主線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)上，它們相互之間也呈90°角，在MEMS懸臂梁下方有絕緣介質(zhì)層，MEMS懸臂梁的一端未被固定而另一端通過(guò)固定在錨區(qū)上與副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)相連接，其副線(xiàn)CPW地線(xiàn)上有一個(gè)隔直電容，該副線(xiàn)CPW的特征阻抗也為50 Ω，在每個(gè)副線(xiàn)CPW輸出端并聯(lián)兩個(gè)100 Ω的熱電偶，從而能夠檢測(cè)其中哪些輸入了微波功率及其微波功率大小的比例。技術(shù)方案本發(fā)明的四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器，包括砷化鎵(GaAs)襯底，CPW、四個(gè)MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)、絕緣介質(zhì)層、隔直電容、終端匹配電阻、熱電堆、金屬散熱片、空氣橋、以及MEMS襯底膜結(jié)構(gòu)所述CPW包括主線(xiàn)CPW和副線(xiàn)CPW ;所述MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)包括MEMS懸臂梁和錨區(qū)；所述熱電堆包括一個(gè)由八個(gè)熱電偶構(gòu)成四對(duì)熱電偶而組成的熱電堆、八個(gè)由副線(xiàn)CPW輸出端并聯(lián)連接兩個(gè)阻抗為100Ω的熱電偶而組成的熱電堆、輸出壓焊塊和連接線(xiàn)。所述主副線(xiàn)CPW用于實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的傳輸，以及測(cè)試儀器、MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)和終端匹配電阻的電路連接。主副線(xiàn)CPW是由主副CPW的信號(hào)線(xiàn)和地線(xiàn)組成，它們的特征阻抗均為50 Ω?！愀本€(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)的輸入端部分和相應(yīng)的主線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)成垂直關(guān)系。
所述四個(gè)MEMS懸臂梁分別橫跨在對(duì)稱(chēng)放置的四個(gè)主線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)上，這四個(gè)MEMS懸臂梁相互之間呈9 0°的角，MEMS懸臂梁的一端未被固定而另一端固定在錨區(qū)上，所述錨區(qū)通過(guò)副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)與兩個(gè)熱電偶并聯(lián)連接，所述MEMS懸臂梁下方設(shè)有絕緣介質(zhì)層，實(shí)現(xiàn)了由MEMS懸臂梁從主線(xiàn)CPW上耦合出一定比例的微波功率到副線(xiàn)CPW上。被副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)隔開(kāi)的CPW地線(xiàn)通過(guò)空氣橋連接，其空氣橋下方的副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)被聚酰亞胺絕緣介質(zhì)層覆蓋。在每個(gè)主線(xiàn)CPW的輸出端并聯(lián)連接兩個(gè)終端匹配電阻，所述終端匹配電阻完全吸收由主線(xiàn)CPW輸入端傳輸?shù)狡漭敵龆说奈⒉üβ?，并轉(zhuǎn)換為熱量。每個(gè)終端匹配電阻的阻抗為100 Ω。所述熱電堆是由熱電偶串聯(lián)連接而組成的，其包括兩種由八個(gè)熱電偶構(gòu)成四對(duì)熱電偶而組成的熱電堆，和由每個(gè)副線(xiàn)CPW輸出端并聯(lián)兩個(gè)阻抗為100 Ω的熱電偶而組成的熱電堆。所述由八個(gè)熱電偶構(gòu)成四對(duì)熱電偶而組成的熱電堆，其每個(gè)熱電偶靠近一個(gè)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(yīng)，在熱電堆的輸出壓焊塊上產(chǎn)生熱電勢(shì)的輸出；所述由每個(gè)副線(xiàn)CPW輸出端并聯(lián)兩個(gè)阻抗為100Ω的熱電偶而組成的熱電堆，其每個(gè)熱電偶也被看作為一個(gè)100 Ω的匹配電阻，在熱電偶的中間部分為熱端，而熱電偶的兩端為冷端，每個(gè)熱電偶吸收微波功率而產(chǎn)生熱量，基于Seebeck效應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為熱電勢(shì)的輸出。每個(gè)熱電偶均有一個(gè)半導(dǎo)體熱偶臂和一個(gè)金屬熱偶臂組成。所述金屬散熱片被由八個(gè)熱電偶構(gòu)成四對(duì)熱電偶而組成的熱電堆的冷端環(huán)繞，用于維持該熱電堆的冷端溫度為環(huán)境溫度，從而提高該熱電堆熱冷兩端的溫差。所述連接線(xiàn)用于熱電偶之間以及熱電堆與輸出壓焊塊之間的連接。所述MEMS襯底膜結(jié)構(gòu)分別位于終端匹配電阻和由八個(gè)熱電偶構(gòu)成四對(duì)熱電偶而組成的熱電堆的熱端下方，和由副線(xiàn)CPW輸出端并聯(lián)兩個(gè)熱電偶的中間部分的下方；在其下方的GaAs襯底通過(guò)MEMS背面刻蝕技術(shù)去掉一部分，形成MEMS襯底膜結(jié)構(gòu)，提高了熱量的傳輸效率從而提高熱電堆熱冷兩端的溫差。本發(fā)明的四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器通過(guò)對(duì)稱(chēng)放置四個(gè)主線(xiàn)CPW，它們相互之間呈90°的角，在每個(gè)主線(xiàn)CPW的輸出端并聯(lián)連接兩個(gè)終端匹配電阻，每個(gè)終端匹配電阻附近有一個(gè)熱電偶，將這四對(duì)熱電偶相互之間也同樣呈90°的角放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，從而實(shí)現(xiàn)四輸入微波功率的測(cè)量；并且在每個(gè)主線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)上橫跨一個(gè)MEMS懸臂梁，在該懸臂梁下方有聚酰亞胺絕緣介質(zhì)層，MEMS懸臂梁的一端未被固定而另一端固定在錨區(qū)上，實(shí)現(xiàn)了由MEMS懸臂梁從主線(xiàn)CPW上耦合出一定比例的微波功率到副線(xiàn)CPW上；在每個(gè)副線(xiàn)CPW輸出端并聯(lián)連接兩個(gè)阻抗為100Ω的熱電偶，其每個(gè)熱電偶也被看作為一個(gè)100 Ω的匹配電阻，在每個(gè)副線(xiàn)CPW地線(xiàn)上有一個(gè)隔直電容，從而能夠檢測(cè)其中哪些輸入了微波功率及其微波功率大小的比例。四個(gè)主線(xiàn)CPW輸入端都被連接到射頻電路中，如果微波信號(hào)功率被MEMS懸臂梁從主線(xiàn)CPW上耦合出一定比例到副線(xiàn)CPW上，在MEMS懸臂梁的錨區(qū)相連接的副線(xiàn)CPW上的微波功率完全被其相應(yīng)兩個(gè)并聯(lián)的熱電偶吸收而發(fā)熱，引起由這兩個(gè)熱電偶組成的熱電堆熱冷兩端存在溫差，基于Seebeck效應(yīng)，則在該熱電堆輸出壓焊塊上產(chǎn)生熱電勢(shì)的輸出，從而通過(guò)測(cè)量是否有微波功率被MEMS懸臂梁從主線(xiàn)CPW耦合到副線(xiàn)CPW上來(lái)檢測(cè)該輸入是否有微波功率的傳輸；當(dāng)一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或者四個(gè)待測(cè)的微波信號(hào)分別通過(guò)一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或者四個(gè)CPW輸入端引入時(shí)，在這些主線(xiàn)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(chǎn)生熱量，使終端電阻周?chē)臏囟壬撸胖迷谠摻K端電阻附近的熱電偶分別測(cè)量其溫度差，基于Seebeck效應(yīng)，在主線(xiàn)CPW相連接的終端電阻附近的熱電堆的輸出壓焊塊上產(chǎn)生熱電勢(shì)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)單輸入、雙輸入、三輸入或者四輸入微波功率的測(cè)量；同時(shí)也可以通過(guò)測(cè)量多輸入內(nèi)分別被MEMS懸臂梁耦合到副線(xiàn)CPW上的微波功率而轉(zhuǎn)化為熱電勢(shì)的比例來(lái)確定輸入到該主線(xiàn)CPW上微波功率量的比例。四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器的制備方法為
1)準(zhǔn)備砷化鎵襯底選用外延的半絕緣砷化鎵襯底，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度 為為1018cnT3，其方塊電阻值為100 130Ω/ ；
2)在外延的N+砷化鎵襯底涂覆光刻膠，保留預(yù)備制作歐姆接觸區(qū)和初步形成熱電堆的半導(dǎo)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(dǎo)體熱偶臂；
3)反刻步驟2)中初步形成的熱電堆半導(dǎo)體熱偶臂，完全形成其摻雜濃度為IO17CnT3的熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂；
4)在步驟3)得到的襯底上涂覆光刻膠，去除預(yù)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(yù)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Izzm;
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(gòu)成的終端匹配電阻；
10)在砷化鎵襯底上涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作主副線(xiàn)CPW、MEMS懸臂梁的錨區(qū)、隔直電容的下極板、金屬散熱片、輸出壓焊塊以及連接線(xiàn)地方的光刻膠；
11)在襯底上通過(guò)蒸發(fā)方式生長(zhǎng)一層金，其厚度為O.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，初步形成主副線(xiàn)CPW、MEMS懸臂梁的錨區(qū)、隔直電容的下極板、金屬散熱片、輸出壓焊塊以及連接線(xiàn)；
13)反刻氮化鉭，形成與主線(xiàn)CPW輸出端相連接的終端匹配電阻，其方塊電阻均為25 Ω/ ；
14)淀積并光刻聚酰亞胺絕緣介質(zhì)層在前面步驟處理得到的砷化鎵襯底上涂覆I. 6// m厚的聚酰亞胺層，光刻聚酰亞胺層，僅保留MEMS懸臂梁和空氣橋下方以及隔直電容處的聚酰亞胺絕緣介質(zhì)層；
15)通過(guò)蒸發(fā)方式生長(zhǎng)用于電鍍的底金蒸發(fā)鈦/金/鈦，作為底金，其厚度為500/1500/300A ；
16)涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作主副線(xiàn)CPW，MEMS懸臂梁、MEMS懸臂梁的錨區(qū)、隔直電容的上極板、金屬散熱片、輸出壓焊塊、空氣橋以及連接線(xiàn)地方的光刻膠；17)電鍍一層金,其厚度為2//m ;
18)去除步驟16)中留下的光刻膠；
19)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成主副線(xiàn)CPW，MEMS懸臂梁、MEMS懸臂梁的錨區(qū)、隔直電容的上極板、金屬散熱片、輸出壓焊塊、空氣橋以及連接線(xiàn)；
20)將該砷化鎵襯底背面減薄至100//m ;
21)在砷化鎵襯底的背面涂覆光刻膠，去除預(yù)備在砷化鎵背面形成膜結(jié)構(gòu)地方的光刻
膠；
22)刻蝕減薄終端匹配電阻和八個(gè)熱電偶構(gòu)成四對(duì)熱電偶而組成的熱電堆的熱端下 方的砷化鎵襯底，和由每個(gè)副線(xiàn)CPW輸出端并聯(lián)兩個(gè)熱電偶的中間部分的下方的砷化鎵襯底，形成膜結(jié)構(gòu)，刻蝕80// m的襯底厚度，保留20// m的膜結(jié)構(gòu)。有益效果本發(fā)明的四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器結(jié)構(gòu)，不但具有熱電式微波功率傳感器的優(yōu)點(diǎn)，如低損耗、高靈敏度和好的線(xiàn)性度，而且突破了傳統(tǒng)熱電式微波功率傳感器只能測(cè)量單輸入的微波功率的限制，實(shí)現(xiàn)了四輸入微波功率的測(cè)量，同時(shí)也能夠檢測(cè)其中哪些輸入了微波功率及其微波功率大小的比例，具有高的集成度以及與砷化鎵單片微波集成電路兼容的特點(diǎn)。


圖I是四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器的示意 圖2是四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器的A-A剖面 圖3是四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器的B-B剖面 圖中包括四個(gè)微波信號(hào)輸入端I、2、3和4，主副線(xiàn)CPW 5，MEMS懸臂梁6，MEMS懸臂梁的錨區(qū)7，聚酰亞胺絕緣介質(zhì)層8，空氣橋9，在副線(xiàn)CPW地線(xiàn)上的隔直電容10，終端匹配電阻11，熱電偶12，半導(dǎo)體熱偶臂13，金屬熱偶臂14，金屬散熱片15，輸出壓焊塊16，連接線(xiàn)17，MEMS襯底的膜結(jié)構(gòu)18，砷化鎵襯底19。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器的具體實(shí)施方案如下
該結(jié)構(gòu)包括砷化鎵襯底19，CPW、四個(gè)MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)、絕緣介質(zhì)層8、隔直電容10、終端匹配電阻11、熱電堆、金屬散熱片15、空氣橋9、以及MEMS襯底膜結(jié)構(gòu)18 :所述CPW包括主線(xiàn)CPW 5和副線(xiàn)CPW 5 ;所述MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)包括MEMS懸臂梁6和錨區(qū)7 ;所述熱電堆包括一個(gè)由八個(gè)熱電偶12構(gòu)成四對(duì)熱電偶12而組成的熱電堆、八個(gè)由副線(xiàn)CPW 5輸出端并聯(lián)連接兩個(gè)阻抗為100 Ω的熱電偶12而組成的熱電堆、輸出壓焊塊16和連接線(xiàn)17。所述主副線(xiàn)CPW 5用于實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的傳輸，以及測(cè)試儀器、MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)和終端匹配電阻11的電路連接。主副線(xiàn)CPW 5是由主副CPW的信號(hào)線(xiàn)和地線(xiàn)組成，它們的特征阻抗均為50 Ω。—般副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)的輸入端部分和相應(yīng)的主線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)成垂直關(guān)系。所述四個(gè)MEMS懸臂梁6分別橫跨在對(duì)稱(chēng)放置的四個(gè)主線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)上，這四個(gè)MEMS懸臂梁6相互之間呈90°的角,MEMS懸臂梁6的一端未被固定而另一端固定在錨區(qū)7上，所述錨區(qū)7通過(guò)副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)與兩個(gè)熱電偶12并聯(lián)連接，所述MEMS懸臂梁6下方設(shè)有絕緣介質(zhì)層8，實(shí)現(xiàn)了由MEMS懸臂梁6從主線(xiàn)CPW 5上耦合出一定比例的微波功率到副線(xiàn)CPW 5上。被副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)隔開(kāi)的CPW地線(xiàn)通過(guò)空氣橋9連接，其空氣橋9下方的副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)被聚酰亞胺絕緣介質(zhì)層8覆蓋。在每個(gè)主線(xiàn)CPW 5的輸出端并聯(lián)連接兩個(gè)終端匹配電阻11，所述終端匹配電阻11完全吸收由主線(xiàn)CPW輸入端1、2、3和4傳輸?shù)狡漭敵龆说奈⒉üβ?，并轉(zhuǎn)換為熱量。每個(gè)終端匹配電阻11的阻抗為100 Ω。所述熱電堆是由熱電偶12串聯(lián)連接而組成的，其包括兩種由八個(gè)熱電偶12構(gòu)成四對(duì)熱電偶12而組成的熱電堆，和由每個(gè)副線(xiàn)CPW 5輸出端并聯(lián)兩個(gè)阻抗為100Ω的熱電偶12而組成的熱電堆。所述由八個(gè)熱電偶12構(gòu)成四對(duì)熱電偶12而組成的熱電堆，其每個(gè)熱電偶12靠近一個(gè)終端匹配電阻11，但不與該終端匹配電阻11連接，熱電堆靠近終端 電阻11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(yīng)，在熱電堆的輸出壓焊塊16上產(chǎn)生熱電勢(shì)的輸出；所述由副線(xiàn)CPW 5輸出端并聯(lián)兩個(gè)阻抗為100 Ω的熱電偶12而組成的熱電堆，其每個(gè)熱電偶12也被看作為一個(gè)100 Ω的匹配電阻，在熱電偶12的中間部分為熱端，而熱電偶12的兩端為冷端，每個(gè)熱電偶12吸收微波功率而產(chǎn)生熱量，基于Seebeck效應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為熱電勢(shì)的輸出。每個(gè)熱電偶12均有一個(gè)半導(dǎo)體熱偶臂13和一個(gè)金屬熱偶臂14組成。所述金屬散熱片15被由八個(gè)熱電偶12構(gòu)成四對(duì)熱電偶12而組成的熱電堆的冷端環(huán)繞，用于維持該熱電堆的冷端溫度為環(huán)境溫度，從而提高該熱電堆熱冷兩端的溫差。所述連接線(xiàn)17用于熱電偶12之間以及熱電堆與輸出壓焊塊16之間的連接。所述MEMS襯底膜結(jié)構(gòu)18分別位于終端匹配電阻11和由八個(gè)熱電偶12構(gòu)成四對(duì)熱電偶12而組成的熱電堆的熱端下方，和由副線(xiàn)CPW 5輸出端并聯(lián)兩個(gè)熱電偶12的中間部分的下方；在其下方的GaAs襯底19通過(guò)MEMS背面刻蝕技術(shù)去掉一部分，形成MEMS襯底膜結(jié)構(gòu)18，提高了熱量的傳輸效率從而提高熱電堆熱冷兩端的溫差。本發(fā)明的四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器通過(guò)對(duì)稱(chēng)放置四個(gè)主線(xiàn)CPW5，它們相互之間呈90°的角，在每個(gè)主線(xiàn)CPW 5的輸出端連接兩個(gè)終端匹配電阻11，每個(gè)終端匹配電阻11附近有一個(gè)熱電偶12，將這四對(duì)熱電偶12相互之間也同樣呈90°的角放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，從而實(shí)現(xiàn)四輸入微波功率的測(cè)量；并且在每個(gè)主線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)上橫跨一個(gè)MEMS懸臂梁6，在該懸臂梁6下方有聚酰亞胺絕緣介質(zhì)層8，MEMS懸臂梁6的一端未被固定而另一端固定在錨區(qū)7上，實(shí)現(xiàn)了由MEMS懸臂梁6從主線(xiàn)CPW 5上耦合出一定比例的微波功率到副線(xiàn)CPW 5上；在每個(gè)副線(xiàn)CPW 5輸出端并聯(lián)連接兩個(gè)阻抗為100 Ω的熱電偶12，其每個(gè)熱電偶12也被看作為一個(gè)100 Ω的匹配電阻，在每個(gè)副線(xiàn)CPW地線(xiàn)上有一個(gè)隔直電容10，從而能夠檢測(cè)其中哪些輸入了微波功率及其微波功率大小的比例。四個(gè)主線(xiàn)CPW輸入端1、2、3和4都被連接到射頻電路中，如果微波信號(hào)功率被MEMS懸臂梁6從主線(xiàn)CPW 5上耦合出一定比例到副線(xiàn)CPW 5上，在MEMS懸臂梁的錨區(qū)7相連接的副線(xiàn)CPW5上的微波功率完全被其相應(yīng)兩個(gè)并聯(lián)的熱電偶12吸收而發(fā)熱，引起由這兩個(gè)熱電偶12組成的熱電堆熱冷兩端存在溫差，基于Seebeck效應(yīng),則在該熱電堆輸出壓焊塊16上產(chǎn)生熱電勢(shì)的輸出，從而通過(guò)測(cè)量是否有微波功率被MEMS懸臂梁6從主線(xiàn)CPW 5耦合到副線(xiàn)CPW5上來(lái)檢測(cè)該輸入是否有微波功率的傳輸；當(dāng)一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或者四個(gè)待測(cè)的微波信號(hào)分別通過(guò)一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或者四個(gè)CPW輸入端1、2、3和4引入時(shí)，在這些主線(xiàn)CPW 5輸出端并聯(lián)的終端匹配電阻11分別吸收這些微波功率而產(chǎn)生熱量，使終端電阻11周?chē)臏囟壬?，放置在該終端電阻11附近的熱電偶12分別測(cè)量其溫度差，基于Seebeck效應(yīng)，在主線(xiàn)CPff 5相連接的終端電阻11附近的熱電堆的輸出壓焊塊16上產(chǎn)生熱電勢(shì)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)單輸入、雙輸入、三輸入或者四輸入微波功率的測(cè)量；同時(shí)也可以通過(guò)測(cè)量多輸入內(nèi)分別被MEMS懸臂梁6耦合到副線(xiàn)CPW 5上的微波功率而轉(zhuǎn)化為熱電勢(shì)的比例來(lái)確定輸入到該主線(xiàn)CPW 5上微波功率量的比例。四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器的制備方法為
1)準(zhǔn)備砷化鎵襯底19:選用外延的半絕緣砷化鎵襯底，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度為為1018cm_3，其方塊電阻值為100 130Ω/ ；
2)在外延的N+砷化鎵襯底涂覆光刻膠，保留預(yù)備制作歐姆接觸區(qū)和初步形成熱電堆 的半導(dǎo)體熱偶臂13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(dǎo)體熱偶臂13 ；
3)反刻步驟2)中初步形成的熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂13，完全形成其摻雜濃度為IO17CnT3的熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂13 ；
4)在步驟3)得到的襯底上涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作熱電堆的金屬熱偶臂處14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14 ；
7)在步驟6)得到的襯底上涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作終端匹配電阻11處的光刻膠；
8)在襯底上濺射氮化鉭，其厚度為Izzm;
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(gòu)成的終端匹配電阻11 ；
10)在砷化鎵襯底19上涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作主副線(xiàn)CPW5、MEMS懸臂梁的錨區(qū)7、隔直電容10的下極板、金屬散熱片15、輸出壓焊塊16以及連接線(xiàn)17地方的光刻膠；
11)在襯底上通過(guò)蒸發(fā)方式生長(zhǎng)一層金，其厚度為O.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，初步形成主副線(xiàn)CPW5>MEMS懸臂梁的錨區(qū)7、隔直電容10的下極板、金屬散熱片15、輸出壓焊塊16以及連接線(xiàn)
17；
13)反刻氮化鉭，形成與主線(xiàn)CPW5輸出端相連接的終端匹配電阻11，其方塊電阻均為25 Ω/ ；
14)淀積并光刻聚酰亞胺絕緣介質(zhì)層8:在前面步驟處理得到的砷化鎵襯底19上涂覆
I.6// m厚的聚酰亞胺層，光刻聚酰亞胺層，僅保留MEMS懸臂梁6和空氣橋9下方以及隔直電容10處的聚酰亞胺絕緣介質(zhì)層8 ；
15)通過(guò)蒸發(fā)方式生長(zhǎng)用于電鍍的底金蒸發(fā)鈦/金/鈦，作為底金，其厚度為500/1500/300A ；
16)涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作主副線(xiàn)CPW5，MEMS懸臂梁6、MEMS懸臂梁的錨區(qū)7、隔直電容10的上極板、金屬散熱片15、輸出壓焊塊16、空氣橋9以及連接線(xiàn)17地方的光刻膠；
17)電鍍一層金,其厚度為2//m ;
18)去除步驟16)中留下的光刻膠；
19)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成主副線(xiàn)CPW5,MEMS懸臂梁6、MEMS懸臂梁的錨區(qū)7、隔直電容10的上極板、金屬散熱片15、輸出壓焊塊16、空氣橋9以及連接線(xiàn)17 ；
20)將該砷化鎵襯底19背面減薄至100//m ;
21)在砷化鎵襯底19的背面涂覆光刻膠，去除預(yù)備在砷化鎵19背面形成膜結(jié)構(gòu)18地方的光刻膠；
22)刻蝕減薄終端匹配電阻11和八個(gè)熱電偶12構(gòu)成四對(duì)熱電偶12而組成的熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底19，和由每個(gè)副線(xiàn)CPW 5輸出端并聯(lián)兩個(gè)熱電偶12的中間部分的下方的砷化鎵襯底19，形成膜結(jié)構(gòu)18，刻蝕80// m的襯底厚度，保留20// m的膜結(jié)構(gòu)18。區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下
(O微波信號(hào)功率的引入和傳輸米用CPW來(lái)實(shí)現(xiàn)；
(2)將四個(gè)主線(xiàn)CPW5對(duì)稱(chēng)放置且相互之間呈90°角，主線(xiàn)CPW 5的特征阻抗均為50 Ω，在每個(gè)主線(xiàn)CPW 5的輸出端并聯(lián)兩個(gè)100 Ω終端匹配電阻11，每個(gè)終端匹配電阻11附近有一個(gè)熱電偶12，將這四對(duì)熱電偶12相互之間呈90°的角放置并串聯(lián)連接形成熱電堆；
(3)四個(gè)MEMS懸臂梁6分別橫跨在四個(gè)主線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)上，它們相互之間也呈90°角，在MEMS懸臂梁6下方有絕緣介質(zhì)層8,MEMS懸臂梁6的一端未被固定而另一端通過(guò)固定在錨區(qū)7上與副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)相連接；
(4)在每個(gè)副線(xiàn)CPW5輸出端并聯(lián)兩個(gè)100Ω的熱電偶12，其副線(xiàn)CPW地線(xiàn)上有一個(gè)隔直電容10，該副線(xiàn)CPW 5的特征阻抗也為50 Ω ；
滿(mǎn)足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器。
權(quán)利要求
1.一種四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器，制作在砷化鎵襯底(19)上,在其上設(shè)有CPW、四個(gè)MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)、絕緣介質(zhì)層(8)、空氣橋(9)、隔直電容(10)、終端匹配電阻(11)、熱電堆、金屬散熱片(15 )、以及MEMS襯底膜結(jié)構(gòu)(18 )，所述CPW包括主線(xiàn)CPW( 5 )和副線(xiàn)CPW (5)，所述MEMS懸臂梁結(jié)構(gòu)包括MEMS懸臂梁(6)和錨區(qū)(7)，所述熱電堆包括一個(gè)由八個(gè)熱電偶(12)構(gòu)成四對(duì)熱電偶(12)而組成的熱電堆、八個(gè)由副線(xiàn)CPW (5)輸出端并聯(lián)連接兩個(gè)阻抗為100 Ω的熱電偶(12)而組成的熱電堆、輸出壓焊塊(16)和連接線(xiàn)(17)，其特征在于該結(jié)構(gòu)具有四個(gè)用于引入微波信號(hào)的主線(xiàn)CPW輸入端(1、2、3和4)，將四個(gè)主線(xiàn)CPW (5)對(duì)稱(chēng)放置且相互之間呈90°角，主線(xiàn)CPW (5)的特征阻抗均為50Ω，在每個(gè)主線(xiàn)CPff (5)的輸出端并聯(lián)兩個(gè)100Ω終端匹配電阻(11)，每個(gè)終端匹配電阻(11)附近有一個(gè)熱電偶(12)，將這四對(duì)熱電偶(12)相互之間呈90°的角放置并串聯(lián)連接形成熱電堆；金屬散熱片(15)被由八個(gè)熱電偶(12)構(gòu)成四對(duì)熱電偶(12)而組成的熱電堆的冷端環(huán)繞；四個(gè)MEMS懸臂梁(6)分別橫跨在對(duì)稱(chēng)放置的四個(gè)主線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)上，這四個(gè)MEMS懸臂梁(6)相互之間呈90°的角，所述MEMS懸臂梁(6)下方設(shè)有絕緣介質(zhì)層(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器，其特征在于MEMS懸臂梁(6)的一端未被固定而另一端固定在懸臂梁的錨區(qū)(7)上，其懸臂梁的錨區(qū)(7)與副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)相連接；被副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)隔開(kāi)的CPW地線(xiàn)通過(guò)空氣橋(9)連接，其空氣橋(9)下方的副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)被聚酰亞胺絕緣介質(zhì)層(8)覆蓋。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器，其特征在于副線(xiàn)CPW (5)輸出端并聯(lián)連接兩個(gè)阻抗為100Ω的熱電偶(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器，其特征在于連接線(xiàn)(17)用于熱電偶(12)之間以及熱電堆與輸出壓焊塊(16)之間的連接；MEMS襯底膜結(jié)構(gòu)(18)分別位于終端匹配電阻(11)和由八個(gè)熱電偶(12)構(gòu)成四對(duì)熱電偶(12)而組成的熱電堆的熱端下方，以及由每個(gè)副線(xiàn)CPW (5)輸出端并聯(lián)連接的兩個(gè)熱電偶(12)的中間部分的下方。
5.—種如權(quán)利要求I所述的四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器的制備方法，其特征在于制備方法為 1)準(zhǔn)備砷化鎵襯底(19):選用外延的半絕緣砷化鎵襯底，其中外延N+砷化鎵的摻雜濃度為為1018cm_3，其方塊電阻值為100 130Ω/ ； 2)在外延的N+砷化鎵襯底涂覆光刻膠，保留預(yù)備制作歐姆接觸區(qū)和初步形成熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂(13)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(dǎo)體熱偶臂(13)； 3)反刻步驟2)中初步形成的熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂(13)，完全形成其摻雜濃度為IO17Cm-3的熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂(13)； 4)在步驟3)得到的襯底上涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作熱電堆的金屬熱偶臂處(14)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(14)； 7)在步驟6)得到的襯底上涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作終端匹配電阻(11)處的光刻膠；8)在襯底上濺射氮化鉭，其厚度為Izzm; 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(gòu)成的終端匹配電阻(11)； 10)在砷化鎵襯底(19)上涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作主副線(xiàn)CPW(5)、MEMS懸臂梁的錨區(qū)(7)、隔直電容(10)的下極板、金屬散熱片(15)、輸出壓焊塊(16)以及連接線(xiàn)(17)地方的光刻膠； 11)在襯底上通過(guò)蒸發(fā)方式生長(zhǎng)一層金，其厚度為O.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，初步形成主副線(xiàn)CPW(5)、MEMS懸臂梁的錨區(qū)(7)、隔直電容(10)的下極板、金屬散熱片(15)、輸出壓焊塊(16)以 及連接線(xiàn)(17)； 13)反刻氮化鉭，形成與主線(xiàn)CPW (5 )輸出端相連接的終端匹配電阻(11 )，其方塊電阻均為25 Ω / ； 14)淀積并光刻聚酰亞胺絕緣介質(zhì)層(8):在前面步驟處理得到的砷化鎵襯底(19)上涂覆I. 6// m厚的聚酰亞胺層，光刻聚酰亞胺層，僅保留MEMS懸臂梁(6)和空氣橋(9)下方以及隔直電容(10)處的聚酰亞胺絕緣介質(zhì)層(8)； 15)通過(guò)蒸發(fā)方式生長(zhǎng)用于電鍍的底金蒸發(fā)鈦/金/鈦，作為底金，其厚度為500/1500/300A ； 16)涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作主副線(xiàn)CPW(5)，MEMS懸臂梁(6)、MEMS懸臂梁的錨區(qū)(7)、隔直電容(10)的上極板、金屬散熱片(15)、輸出壓焊塊(16)、空氣橋(9)以及連接線(xiàn)(17)地方的光刻膠； 17)電鍍一層金，其厚度為2μm ； 18)去除步驟16)中留下的光刻膠； 19)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成主副線(xiàn)CPW(5)，MEMS懸臂梁(6)、MEMS懸臂梁的錨區(qū)(7)、隔直電容(10)的上極板、金屬散熱片(15)、輸出壓焊塊(16)、空氣橋(9)以及連接線(xiàn)(17)； 20)將該砷化鎵襯底(19)背面減薄至100//m ; 21)在砷化鎵襯底(19)的背面涂覆光刻膠，去除預(yù)備在砷化鎵(19)背面形成膜結(jié)構(gòu)(18)地方的光刻膠； 22)刻蝕減薄終端匹配電阻(11)和八個(gè)熱電偶(12)構(gòu)成四對(duì)熱電偶(12)而組成的熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底(19)，和由副線(xiàn)CPW (5)輸出端并聯(lián)兩個(gè)熱電偶(12)的中間部分的下方的砷化鎵襯底(19)，形成膜結(jié)構(gòu)(18)，刻蝕80// m的襯底厚度，保留20// m的膜結(jié)構(gòu)(18)。
全文摘要
本發(fā)明的四輸入微機(jī)械懸臂梁熱電式微波功率傳感器，實(shí)現(xiàn)了四輸入微波功率的測(cè)量，同時(shí)也能夠檢測(cè)其中哪些輸入了微波功率及其微波功率大小的比例。該結(jié)構(gòu)在砷化鎵襯底上將四個(gè)主線(xiàn)CPW對(duì)稱(chēng)放置，它們彼此相互之間呈90o的角，在每個(gè)主線(xiàn)CPW的輸出端并聯(lián)兩個(gè)終端匹配電阻，每個(gè)終端匹配電阻附近有一個(gè)熱電偶，將這四對(duì)熱電偶相互之間同樣呈90o的角放置并串聯(lián)連接形成熱電堆；在每個(gè)主線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)上橫跨一個(gè)MEMS懸臂梁，其懸臂梁相互之間也呈90o的角，在懸臂梁下方有絕緣介質(zhì)層，MEMS懸臂梁的一端未被固體而另一端固定在錨區(qū)上，其錨區(qū)與副線(xiàn)CPW信號(hào)線(xiàn)相連接，在副線(xiàn)CPW地線(xiàn)上有一個(gè)隔直電容，在每個(gè)副線(xiàn)CPW輸出端并聯(lián)兩個(gè)100Ω的熱電偶。
文檔編號(hào)B81B7/00GK102645579SQ20111022946
公開(kāi)日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2011年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月11日
發(fā)明者廖小平, 張志強(qiáng) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)