專利名稱：微橋結(jié)構(gòu)熱偶型微波功率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微波功率測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是半導(dǎo)體微波功率測量。
功率測量在電磁測量中占有舉足輕重的地位，其中傳感元件有熱敏電阻、熱變電阻、薄膜電阻、二極管、熱電薄膜、霍爾效應(yīng)等多種。傳感器仍停留在熱敏電阻、熱電薄膜等幾個(gè)方面，可靠性差、精度低、頻帶窄，。半導(dǎo)體熱偶型微波功率傳感器具有靈敏度高、檢測頻帶寬、精度高、響應(yīng)快、可靠性好、易于批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于國外進(jìn)口的功率計(jì)中，如HP公司的435A/8481A熱偶功率計(jì)系統(tǒng)。其原理如

圖1(a，b)。P型硅(8)襯底上選擇性擴(kuò)散N+硅(4)，其上生長SiO2及Si3N4作絕緣保護(hù)層(7)，再沉積Ta2N電阻薄膜(2)及金引線(1)和(6)，做成熱電偶。N+硅(4)的一端與Ta2N(2)接觸，是熱偶的熱結(jié)點(diǎn)(3)，另一端與金引線(6)接觸，是熱偶的冷結(jié)點(diǎn)。熱偶電阻由N+硅電阻和Ta2N電阻兩部分組成，以Ta2N電阻為主。微波功率耗散在熱偶電阻上，產(chǎn)生熱量，使熱結(jié)溫度高于冷結(jié)，由Seebeck效應(yīng)在熱偶上產(chǎn)生熱電勢，該熱電勢與吸收的微波功率成正比。通過檢測熱電勢值來測量微波功率。對于傳統(tǒng)的熱偶結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，為了與微波輸入阻抗匹配，限定熱偶總電阻是100Ω，硅的摻雜就不能太少，否則硅電阻會(huì)增大，而硅的電阻溫度系數(shù)較大，在大功率情況下，其電阻的變化會(huì)影響總的熱偶電阻，導(dǎo)致阻抗失配。因此該結(jié)構(gòu)靈敏度不很高，一般兩個(gè)熱偶總靈敏度在300μV/mW左右。
本發(fā)明的目的是提出一種高靈敏度的微橋結(jié)構(gòu)熱偶型微波功率傳感器。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)是包括金引線(21)經(jīng)Ta2N電阻(24)到金引線(22)組成微波吸熱通路，金引線(23)通過冷結(jié)點(diǎn)(28)及硅框架到熱結(jié)點(diǎn)(27)再經(jīng)部分Ta2N電阻和金引線(22)形成熱電偶通路，在金線(21)和金線(22)之間的薄膜有一橋形熱流通路。
本發(fā)明對已有的熱偶型微波功率傳感器作了較大改進(jìn)，提出新的微橋結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小熱傳導(dǎo)損耗及熱偶的熱容量，提高傳感器靈敏度及響應(yīng)特性，減小失配誤差，改善傳感器駐波比。
圖1是傳統(tǒng)半導(dǎo)體熱偶型微波功率傳感器熱偶芯片結(jié)構(gòu)示意圖。(1a)是芯片正面示意圖，由兩個(gè)熱電偶組成，(1b)是其中一個(gè)熱電偶的橫截面示意圖。
(1)、(6)金梁式引線，(2)Ta2N電阻，(3)熱結(jié)點(diǎn)，(4)N+Si，(5)冷結(jié)點(diǎn)，(7)絕緣層，(8)P型硅框架。
圖2是新型微橋結(jié)構(gòu)熱偶型微波功率傳感器芯片結(jié)構(gòu)示意圖，只有一個(gè)熱電偶，(2a)是正面示意圖，(2b)是橫截面示意圖。
(21)、(22)、(23)金梁式引線，(24)Ta2N電阻，(25)絕緣層，(26)硅框架，(27)熱結(jié)點(diǎn)，(28)冷結(jié)點(diǎn)。
微結(jié)構(gòu)熱偶型微波功率傳感器選用熱電系數(shù)較大的半導(dǎo)體單晶硅作為熱電偶材料，電阻溫度系數(shù)極小的氮化鉭Ta2N作為微波吸收材料。微波功率通過7mm同軸電纜及寶石基底上的共面波導(dǎo)，加熱氮化鉭電阻，使氮化鉭電阻底下的硅(熱結(jié)點(diǎn))溫度升高，在硅冷熱結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生溫度差，從而產(chǎn)生熱電勢。檢測此熱電勢即實(shí)現(xiàn)微波功率測量。如圖2所示，金引線(21)經(jīng)Ta2N電阻(24)到金引線(22)組成微波吸熱通路，其阻值由橋中心的Ta2N電阻(24)組成。金引線(23)通過冷結(jié)點(diǎn)(28)及硅框架到熱結(jié)點(diǎn)(27)再經(jīng)部分Ta2N電阻和金引線(22)形成熱電偶通路。Ta2N電阻吸收微波功率，使熱結(jié)點(diǎn)溫度升高，在熱電偶冷熱結(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生溫差，進(jìn)而產(chǎn)生熱電勢，從熱電偶通路的兩端(22)和(23)之間輸出正比于輸入微波功率的直流電壓。將傳統(tǒng)熱偶結(jié)構(gòu)的方型薄膜去掉兩個(gè)Z型區(qū)域(29)形成Z型硅橋。電偶限制在微Z型硅橋上，加長熱流通路，增加熱阻，減小熱傳導(dǎo)損耗及熱偶的熱容量?？刂茦虻暮穸?，即可控制熱偶的熱導(dǎo)及熱容，對靈敏度及響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行折衷。微波吸熱電阻與檢測熱偶電阻分離，微波吸熱電阻完全由具有低電阻溫度系數(shù)的Ta2N電阻組成，保證微波吸熱電阻在較大功率范圍內(nèi)與微波輸入匹配，改善傳感器駐波比?？伸`活選擇熱偶電阻，調(diào)整靈敏度。Ta2N電阻僅限于微橋中心局部橋長區(qū)域，使熱量更加集中到中心區(qū)域。熱結(jié)點(diǎn)位于Ta2N電阻正下方與硅直接接觸之處，增加轉(zhuǎn)換效率縮短相應(yīng)時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種微橋結(jié)構(gòu)熱偶型微波功率傳感器，包括金引線(21)經(jīng)Ta2N電阻(24)到金引線(22)組成微波吸熱通路，金引線(23)通過冷結(jié)點(diǎn)(28)及硅框架到熱結(jié)點(diǎn)(27)再經(jīng)部分Ta2N電阻和金引線(22)形成熱電偶通路，其特征在于在金線(21)和金線(22)之間的薄膜有一橋形熱流通路。
2.按權(quán)利要求1所述的微波功率傳感器，其特征在于所述的熱流通路是Z型或其它形狀。
3.按權(quán)利要求1或2所述的微波功率傳感器，其特征在于Ta2N電阻僅限于微橋中心橋長部分區(qū)域。
4.按權(quán)利要求3所述的微波功率傳感器，其特征在于熱結(jié)點(diǎn)位于Ta2N電阻正下方與硅直接接觸之處。
全文摘要
一種微橋結(jié)構(gòu)熱偶型微波功率傳感器,包括金引線(21)經(jīng)Ta
文檔編號(hào)G01R21/00GK1359009SQ0013211
公開日2002年7月17日 申請日期2000年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月14日
發(fā)明者陳德勇, 崔大富 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所