專利名稱：呈120°角三通道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120°角三通道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技術應用中具有重要的地位。近年來，隨著MEMS技術的快速發(fā)展，基于熱電偶的微波功率傳感器是被廣泛應用的器件之一。其工作原理為利用終端匹配電阻吸收輸入待測的微波功率而產生熱，并通過放置終端匹配電阻附近的熱電堆探測該匹配電阻附近的溫差，并將之轉化為熱電勢輸出，實現(xiàn)微波功率的測量。它具有低的損耗、高的靈敏度和好的線性度的優(yōu)點，然而其最大的不足是一個微波功率傳感器只能測量單一通道的輸入微波功率，當測量多通道的微波功率時需要額外的電路或多個微波功率傳感器實現(xiàn)。隨著微電子技術的發(fā)展，現(xiàn)代個人通信系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)要求一個微波功率傳感器能夠實現(xiàn)片上三通道輸入微波功率的測量而且具有較小的芯片面積。現(xiàn)如今對MEMS技術的深入研究，使基于 MEMS技術實現(xiàn)上述功能的呈120°角三通道微波功率傳感器成為可能。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是提供一種基于MEMS技術的呈120°角三通道微波功率傳感器及制備方法，通過對稱放置三個共面波導(CPW)，它們相互之間呈120°的角，在每個共面波導的輸出端并聯(lián)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，將這三對熱電偶也成對稱放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，這三對熱電偶相互之間也同樣呈120° 的角，從而實現(xiàn)三通道微波功率的測量；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120°角三通道微電子機械微波功率傳感器以砷化鎵 (GaAs)為襯底，在襯底上設有三個CPW、六個終端匹配電阻、一個由六個熱電偶構成三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，以及測試儀器和終端匹配電阻的電路連接。每個CPW由一條CPW的信號線和兩條地線組成。終端匹配電阻被連接到CPW的輸出端，完全吸收由CPW輸入端傳輸?shù)奈⒉üβ?，并轉換為熱量。熱電堆是由六個熱電偶構成三對熱電偶而組成的，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。金屬散熱片被熱電堆的冷端環(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。連接線用于熱電偶之間的互相連接以及熱電堆與輸出壓焊塊之間的連接。MEMS襯底膜結構位于終端匹配電阻和熱電堆的熱端下方，在其下方的GaAs襯底通過MEMS背面刻蝕技術去掉一部分，形成MEMS襯底膜結構，提高了熱量由終端電阻向熱電堆熱端的傳輸效率從而提高熱電堆熱冷兩端的溫差。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120°角三通道微電子機械微波功率傳感器通過對稱放置三個CPW，它們相互之間呈120°的角，在每個共面波導的輸出端并聯(lián)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，將這三對熱電偶也成對稱放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，這三對熱電偶相互之間也同樣呈120°的角，從而實現(xiàn)三通道微波功率的測量。當一個待測的微波信號通過任意一個CPW輸入端引入時，在該CPW輸出端并聯(lián)的兩個終端匹配電阻吸收這個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兩個熱電偶測量其溫度差，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)單輸入微波功率的測量；當兩個待測的微波信號通過任意兩個CPW輸入端引入時，在這兩個CPW輸出端并聯(lián)的終端匹配電阻分別吸收這兩個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，在輸出壓焊塊上產生熱電勢的輸出，從而實現(xiàn)雙輸入微波功率的測量；當三個待測的微波信號通過三個CPW輸入端引入時，在CPW輸出端并聯(lián)的終端匹配電阻分別吸收這三個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，在輸出壓焊塊上產生熱電勢的輸出，從而實現(xiàn)三輸入微波功率的測量。呈120°角三通道微電子機械微波功率傳感器的制備方法為
1)準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重摻雜(一般濃度大于等于IO18CnT3)；
2)光刻并隔離外延的N+砷化鎵，形成熱電堆的半導體熱偶臂的圖形和歐姆接觸區(qū)；
3)反刻由熱電堆的半導體熱偶臂的圖形組成的N+砷化鎵，形成輕摻雜(一般濃度小于IO18CnT3)的熱電堆的半導體熱偶臂；
4)光刻去除將要保留金鍺鎳/金地方的光刻膠；
5)濺射金鍺鎳/金；
6)剝離，形成熱電堆的金屬熱偶臂；
7)光刻去除將要保留氮化鉭地方的光刻膠；
8)濺射氮化鉭；
9)剝離;
10)光刻去除將要保留第一層金的地方的光刻膠；
11)蒸發(fā)第一層金；
12)剝離，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阻，其方塊電阻為25Ω / □；
14)蒸發(fā)鈦/金/鈦蒸發(fā)用于電鍍的底金；15)光刻去除要電鍍地方的光刻膠；
16)電鍍金；
17)去除光刻膠去除不需要電鍍地方的光刻膠；
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(一般在50//m和150// m之間)；
20)背面光刻去除在砷化鎵背面形成膜結構地方的光刻膠；
21)刻蝕減薄終端電阻和熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底，形成膜結構。有益效果本發(fā)明的呈120°角三通道微電子機械微波功率傳感器不但具有傳統(tǒng)熱電式微波功率傳感器的優(yōu)點，如低損耗、高靈敏度、好的線性度，而且具有實現(xiàn)三通道微波功率的測量、高的集成度以及與砷化鎵單片微波集成工藝兼容的優(yōu)點。


圖1是呈120°角三通道微電子機械微波功率傳感器的示意圖； 圖2是呈120°角三通道微電子機械微波功率傳感器的A-A剖面圖； 圖3是呈120°角三通道微電子機械微波功率傳感器的B-B剖面圖中包括微波信號輸入端1、2和3，CPW 4，終端匹配電阻5，由六個熱電偶6構成的熱電堆，半導體熱偶臂7，金屬熱偶臂8，金屬散熱片9，輸出壓焊塊10，MEMS襯底的膜結構11，連接線12，砷化鎵襯底13。
具體實施例方式本文發(fā)明的呈120°角三通道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13上設有三個CPW 4、六個終端匹配電阻5、一個由六個熱電偶6構
成三對熱電偶6而組成的熱電堆、兩個輸出壓焊塊10、一個金屬散熱片9以及連接線 12，在襯底13下形成一個MEMS襯底膜結構11:
CPff 4用于實現(xiàn)微波信號的傳輸，以及測試儀器和終端匹配電阻5的電路連接。每個 CPff 4由一條CPW的信號線和兩條地線組成。終端匹配電阻5被連接到CPW 4的輸出端，完全吸收由CPW 4輸入端1、2和 3傳輸?shù)奈⒉üβ剩⑥D換為熱量。熱電堆是由六個熱電偶6構成三對熱電偶6而組成的，每個熱電偶6靠近一個終端匹配電阻5，但不與該終端電阻5連接；熱電堆靠近終端電阻5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10上產生熱電勢的輸出。金屬散熱片9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。連接線12用于熱電偶6之間的互相連接以及熱電堆與輸出壓焊塊10之間的連接。MEMS襯底膜結構11位于終端匹配電阻5和熱電堆的熱端下方，在其下方的 GaAs襯底13通過MEMS背面刻蝕技術去掉一部分，形成MEMS襯底膜結構11，提高了熱量
5由終端電阻5向熱電堆熱端的傳輸效率從而提高熱電堆熱冷兩端的溫差。在機械結構上，CPff 4、終端匹配電阻5、熱電堆、輸出壓焊塊10、金屬散熱片9 以及連接線12制作在同一塊GaAs襯底13上。本發(fā)明的呈120°角三通道微電子機械微波功率傳感器通過對稱放置三個CPW 4， 它們相互之間呈120°的角，在每個CPW 4的輸出端并聯(lián)連接兩個終端匹配電阻5，每個終端匹配電阻5附近有一個熱電偶6，將這三對熱電偶6也成對稱放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，這三對熱電偶6相互之間也同樣呈120°的角，從而實現(xiàn)三通道微波功率的測量。當一個待測的微波信號通過任意一個CPW輸入端1、2或3引入時，在該CPW輸出端并聯(lián)的兩個終端匹配電阻5吸收這個微波功率而產生熱量，使終端電阻5周圍的溫度升高，放置在該終端電阻5附近的兩個熱電偶6測量其溫度差，基于kebeck效應，在熱電堆的輸出壓焊塊10上產生熱電勢的輸出，從而實現(xiàn)單輸入微波功率的測量；當兩個待測的微波信號通過任意兩個CPW輸入端1、2，1、3或2、3引入時，在每個CPW輸出端并聯(lián)的終端匹配電阻5分別吸收這兩個微波功率而產生熱量，使終端電阻5周圍的溫度升高，放置在該終端電阻5附近的熱電偶6分別測量其溫度差，基于kebeck效應，在輸出壓焊塊10上產生熱電勢的輸出，從而實現(xiàn)雙輸入微波功率的測量；當三個待測的微波信號通過三個CPW輸入端1、2和3引入時，在每個CPW輸出端并聯(lián)的終端匹配電阻5分別吸收這三個微波功率而產生熱量，使終端電阻5周圍的溫度升高，放置在該終端電阻5附近的熱電偶6分別測量其溫度差，基于kebeck效應，在輸出壓焊塊10上產生熱電勢的輸出，從而實現(xiàn)三輸入微波功率的測量。呈120°角三通道微電子機械微波功率傳感器的制備方法為
1)準備砷化鎵襯底13: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重摻雜(一般濃度大于等于IO18CnT3)；
2)光刻并隔離外延的N+砷化鎵，形成熱電堆的半導體熱偶臂的圖形和歐姆接觸區(qū)；
3)反刻由熱電堆的半導體熱偶臂的圖形組成的N+砷化鎵，形成輕摻雜(一般濃度小于IO18CnT3)的熱電堆的半導體熱偶臂7 ；
4)光刻去除將要保留金鍺鎳/金地方的光刻膠；
5)濺射金鍺鎳/金；
6)剝離，形成熱電堆的金屬熱偶臂8;
7)光刻去除將要保留氮化鉭地方的光刻膠；
8)濺射氮化鉭；
9)剝離;
10)光刻去除將要保留第一層金的地方的光刻膠；
11)蒸發(fā)第一層金；
12)剝離，初步形成CPW4，金屬散熱片9，輸出壓焊塊10以及連接線12;
13)反刻氮化鉭，形成與CPW輸出端相連接的終端匹配電阻5，其方塊電阻為 25 Ω / □；
14)蒸發(fā)鈦/金/鈦蒸發(fā)用于電鍍的底金；
15)光刻去除要電鍍地方的光刻膠；
16)電鍍金；17)去除光刻膠去除不需要電鍍地方的光刻膠；
18)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成CPW4，金屬散熱片9，輸出壓焊塊10以及連接線12;
19)將該砷化鎵襯底13背面減薄(一般在50//m和150// m之間)；
20)背面光刻去除在砷化鎵13背面形成膜結構地方的光刻膠；
21)刻蝕減薄終端電阻5和熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底13，形成膜結構11。
區(qū)分是否為該結構的標準如下
本發(fā)明的呈120°角三通道微電子機械微波功率傳感器，通過對稱放置三個CPW 4，它們相互之間呈120°的角，在每個CPW的輸出端并聯(lián)連接兩個終端匹配電阻5，每個終端匹配電阻5附近有一個熱電偶6，將這三對熱電偶6也成對稱放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，這三對熱電偶6相互之間也同樣呈120°的角，從而實現(xiàn)三通道微波功率的測量；滿足以上條件的結構即視為本發(fā)明的呈120°角三通道微電子機械微波功率傳感器。
權利要求
1.一種呈120°角三通道微電子機械微波功率傳感器，制作在砷化鎵襯底(13)上，在其上設有三個CPW (4)、六個終端匹配電阻(5)、一個由六個熱電偶(6)構成三對熱電偶(6) 而組成的熱電堆、兩個輸出壓焊塊(10)、一個金屬散熱片(9)以及連接線(12)，在襯底(13) 下形成一個MEMS襯底膜結構(11)，其特征在于該結構具有三個用于傳輸微波信號的CPW輸入端(1)、(2)和(3)，它們彼此對稱放置且相互之間呈120°的角，在每個CPW的輸出端并聯(lián)連接兩個終端匹配電阻(5)，每個終端匹配電阻(5)附近有一個熱電偶(6)，將這三對熱電偶(6 )也成對稱放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，這三對熱電偶(6 )相互之間也同樣呈120°的角；金屬散熱片(9)被熱電堆的冷端環(huán)繞；MEMS襯底膜結構(11)位于終端匹配電阻(5)和熱電堆的熱端下方。
2.一種如權利要求1所述的呈120°角三通道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)準備砷化鎵襯底(13)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重摻雜，重摻雜的濃度一般大于等于IO18CnT3 ；2)光刻并隔離外延的N+砷化鎵，形成熱電堆的半導體熱偶臂的圖形和歐姆接觸區(qū)；3)反刻由熱電堆的半導體熱偶臂的圖形組成的N+砷化鎵，形成輕摻雜的熱電堆的半導體熱偶臂(7)，輕摻雜的濃度一般小于IO18CnT3 ；4)光刻去除將要保留金鍺鎳/金地方的光刻膠；5)濺射金鍺鎳/金；6)剝離，形成熱電堆的金屬熱偶臂(8)；7)光刻去除將要保留氮化鉭地方的光刻膠；8)濺射氮化鉭；9)剝離;10)光刻去除將要保留第一層金的地方的光刻膠；11)蒸發(fā)第一層金；12)剝離，初步形成CPW(4)，金屬散熱片(9)，輸出壓焊塊(10)以及連接線(12);13)反刻氮化鉭，形成與CPW輸出端相連接的終端匹配電阻(5)，其方塊電阻為 25 Ω / □；14)蒸發(fā)鈦/金/鈦蒸發(fā)用于電鍍的底金；15)光刻去除要電鍍地方的光刻膠；16)電鍍金；17)去除光刻膠去除不需要電鍍地方的光刻膠；18)反刻鈦/金/鈦，腐蝕底金，形成CPW(4)，金屬散熱片(9)，輸出壓焊塊(10)以及連接線(12);19)將該砷化鎵襯底(13)背面減薄，其厚度一般在50//m和150//m之間；20)背面光刻去除在砷化鎵(13)背面形成膜結構地方的光刻膠；21)刻蝕減薄終端電阻(5)和熱電堆的熱端下方的砷化鎵襯底(13)，形成膜結構(11)。
全文摘要
本發(fā)明的呈120o角三通道微電子機械微波功率傳感器不但具有傳統(tǒng)熱電式微波功率傳感器的優(yōu)點，如低損耗、高靈敏度、好的線性度，而且具有實現(xiàn)三通道微波功率的測量、高的集成度以及與砷化鎵單片微波集成工藝兼容的優(yōu)點。該結構在砷化鎵襯底上，有三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120o的角，在每個CPW的輸出端并聯(lián)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，將這三對熱電偶也成對稱放置并串聯(lián)連接形成熱電堆，這三對熱電偶相互之間也同樣呈120o的角；金屬散熱片被熱電堆的冷端環(huán)繞；MEMS襯底膜結構位于終端匹配電阻和熱電堆的熱端下方。
文檔編號G01R21/02GK102338825SQ20111022939
公開日2012年2月1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