本發(fā)明提出了一種Si基微機(jī)械懸臂梁耦合直接加熱式毫米波信號檢測器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

長為1～10毫米的電磁波稱為毫米波，處于較高的微波頻段，在通信、雷達(dá)、制導(dǎo)、遙感技術(shù)、射電天文學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和波譜學(xué)方面都有著重要研究價值。功率、頻率和相位作為微波信號的三大參數(shù)，其檢測是電磁測量的重要組成部分，在微波技術(shù)的應(yīng)用中發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。結(jié)構(gòu)小型化和多功能集成是未來信號檢測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，隨著MEMS技術(shù)的不斷成熟，很多信號檢測器件成功實現(xiàn)了小型化，比如微波功率傳感器、微波相位檢測器以及微波頻率檢測器。在此基礎(chǔ)上，在同一芯片上實現(xiàn)三種信號檢測的集成系統(tǒng)具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題:

本發(fā)明的目的是提供一種Si基微機(jī)械懸臂梁耦合直接加熱式毫米波信號檢測器，利用直接式微波功率傳感器實現(xiàn)毫米波功率的檢測，通過懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)耦合部分待測信號，分別進(jìn)行毫米波頻率和相位的檢測，實現(xiàn)了功率、頻率和相位的集成檢測，具有結(jié)構(gòu)簡單、版圖面積小的優(yōu)點。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種Si基微機(jī)械懸臂梁耦合直接加熱式毫米波信號檢測器。該信號檢測器由懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)、功率合成器/分配器、直接加熱式微波功率傳感器和開關(guān)構(gòu)成；其中，懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)上下、左右對稱，由CPW中央信號線、傳輸線地線、懸臂梁、懸臂梁錨區(qū)構(gòu)成，懸臂梁置于CPW中央信號線的上方，在懸臂梁的下方有一層Si₃N₄介電層覆蓋中央信號線；待測信號由懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)的第一端口輸入，第二端口接第一直接加熱式微波功率傳感器；上方兩個懸臂梁耦合的信號由第三端口和第四端口輸出，第三端口與第一開關(guān)的第七端口相連，第四端口與第二開關(guān)的第十端口相連，第一開關(guān)的第八端口與第二直接加熱式微波功率傳感器相連，第九端口與第一功率合成器的第十三端口相連，第二開關(guān)的第十一端口與第三直接加熱式微波功率傳感器相連，第十二端口與第一功率合成器的第十四端口相連，最后，第一功率合成器的第十五端口接第四直接加熱式微波功率傳感器；下方兩個懸臂梁耦合的信號由第五端口和第六端口輸出，第五端口與第二功率合成器的第十九端口相連，第六端口與第三功率合成器的第二十二端口相連，待測信號從功率分配器的第十六端口輸入，功率分配器的第十七端口與第二功率合成器的第二十端口相連，第十八端口與第三功率合成器的第二十三端口相連，第二功率合成器的第二十一端口接第五直接加熱式微波功率傳感器，第三功率合成器的第二十四端口接第六直接加熱式微波功率傳感器。

開關(guān)由CPW中央信號線、傳輸線地線、懸臂梁、懸臂梁錨區(qū)和下拉電極構(gòu)成，下拉電極上覆蓋有一層Si₃N₄介電層，未施加直流電壓時，兩個支路處于斷開狀態(tài)，通過在下拉電極上施加一定的直流偏置，可實現(xiàn)對應(yīng)支路的導(dǎo)通，進(jìn)一步實現(xiàn)耦合功率檢測和頻率檢測兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

直接加熱式微波功率傳感器由CPW中央信號線、傳輸線地線、MIM電容、終端電阻、輸出Pad構(gòu)成，用于檢測微波信號的功率大小，終端電阻設(shè)計為CPW傳輸線的匹配負(fù)載，同時作為熱電偶的半導(dǎo)體臂，MIM電容作為隔直電容，起到阻斷直流通路和微波通路的作用，在終端電阻熱端下方的Si襯底被刻蝕，用于增大傳感器的靈敏度，為了提高冷熱端的溫差，終端電阻設(shè)計為梯形。

待測毫米波信號從第一端口輸入，由第二端口相連的直接加熱式微波功率傳感器檢測毫米波功率；進(jìn)行毫米波頻率和相位檢測時，首先通過開關(guān)將耦合信號輸入到直接加熱式微波功率傳感器測出耦合信號的功率大小，接著通過開關(guān)將兩路所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號輸入到功率合成器，同樣使用直接加熱式微波功率傳感器檢測合成信號功率大小，由耦合信號和合成信號的大小可以推算出毫米波信號的頻率；另外兩路所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號分別和功率等分后的參考信號合成，由直接加熱式微波功率傳感器檢測出兩路合成信號功率的大小，聯(lián)立方程可以求解待測毫米波信號的相位，可實現(xiàn)整個周期范圍內(nèi)相位角的測量。

有益效果：

本發(fā)明相對于現(xiàn)有的信號檢測器具有以下優(yōu)點：

1.本發(fā)明的信號檢測器可以同時實現(xiàn)毫米波信號功率、頻率和相位的測量，有效節(jié)省了版圖面積。

2.本發(fā)明的信號檢測器原理和結(jié)構(gòu)簡單，全部由無源器件組成，不存在直流功耗；

3.本發(fā)明的信號檢測器由于采用直接加熱式微波功率傳感器進(jìn)行功率檢測，靈敏度大，工藝簡單。

4.兼容COMS工藝線，適合批量生產(chǎn)，成本低、可靠性高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明Si基微機(jī)械懸臂梁耦合直接加熱式毫米波信號檢測器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)的A-A’向的剖面圖；

圖3為本發(fā)明功率分配/合成器的俯視圖；

圖4為本發(fā)明直接加熱式微波功率傳感器的俯視圖；

圖5為本發(fā)明直接加熱式微波功率傳感器的B-B’向的剖面圖；

圖6為本發(fā)明開關(guān)的俯視圖；

圖7為本發(fā)明開關(guān)C-C’向的剖面圖。

圖中包括：高阻Si襯底1，SiO₂層2，CPW中央信號線3，傳輸線地線4，懸臂梁5，懸臂梁錨區(qū)6，ACPS信號線7，MIM電容8，隔離電阻9，終端電阻10，Si₃N₄介電層11，輸出Pad12，下拉電極13，懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)14，第一開關(guān)15，第二開關(guān)16，第一端口1-1，第二端口1-2，第三端口1-3，第四端口1-4，第五端口1-5，第六端口1-6，第七端口2-1，第八端口2-2，第九端口2-3，第十端口3-1，第十一端口3-2，第十二端口3-3，第十三端口4-1，第十四端口4-2，第十五端口4-3，第十六端口5-1，第十七端口5-2，第十八端口5-3，第十九端口6-1，第二十端口6-2，第二十一端口6-3，第二十二端口7-1，第二十三端口7-2，第二十四端口7-3。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進(jìn)一步說明。

參見圖1-7，本發(fā)明提出了一種Si基微機(jī)械懸臂梁耦合直接加熱式毫米波信號檢測器。實現(xiàn)結(jié)構(gòu)主要包括：懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)14、功率合成/分配器、直接加熱式微波功率傳感器和開關(guān)。其中，懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)14用于耦合待測信號的部分功率，用于頻率和相位檢測；功率合成器用于兩路信號的合成，功率分配器用于將一路信號等分成兩路信號，兩者具有相同的結(jié)構(gòu)；直接加熱式微波功率傳感器用于檢測微波信號的功率，原理是基于焦耳效應(yīng)和塞貝克效應(yīng)；開關(guān)用于轉(zhuǎn)換耦合功率檢測和頻率檢測兩種狀態(tài)。

懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)14由CPW中央信號線3、傳輸線地線4、懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6構(gòu)成。兩組懸臂梁5懸于CPW中央信號線3上方，中間隔有Si₃N₄介質(zhì)層11和空氣，等效一個雙介質(zhì)層的MIM電容，懸臂梁5末端通過懸臂梁錨區(qū)6同耦合分支的CPW中央信號線3相連，每組懸臂梁5包括兩個對稱設(shè)計的懸臂梁5，兩組懸臂梁5之間的CPW傳輸線電長度在所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處為λ/4。通過調(diào)整懸臂梁5附近的傳輸線地線4的形狀，改變CPW傳輸線的阻抗，用于補(bǔ)償懸臂梁5的引入帶來的電容變化。

功率分配/合成器由CPW中央信號線3、傳輸線地線4、ACPS信號線7、MIM電容8和隔離電阻9構(gòu)成。CPW傳輸線的特征阻抗為50Ω，ACPS傳輸線的特征阻抗為70.7Ω，電長度為λ/4，隔離電阻的阻值為100Ω。MIM電容8橫跨于兩個地線之間，位于CPW中央信號線3上方，介電層為一層Si₃N₄。傳輸線采用彎折結(jié)構(gòu)，同時在拐角處進(jìn)行了補(bǔ)償，用于減小版圖面積。

直接加熱式微波功率傳感器由CPW中央信號線3、傳輸線地線4、MIM電容8、終端電阻10、輸出Pad12構(gòu)成，用于檢測微波信號的功率大小，終端電阻10設(shè)計為CPW傳輸線的匹配負(fù)載，同時作為熱電偶的半導(dǎo)體臂，MIM電容8作為隔直電容，起到阻斷直流通路和微波通路的作用，在終端電阻10熱端下方的Si襯底被刻蝕，用于增大傳感器的靈敏度，為了提高冷熱端的溫差，終端電阻10設(shè)計為梯形。

開關(guān)由CPW中央信號線3、傳輸線地線4、懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6和下拉電極13構(gòu)成，下拉電極13上覆蓋有一層Si₃N₄介電層11，未施加直流電壓時，兩個支路處于斷開狀態(tài)，通過在下拉電極13上施加一定的直流偏置，可實現(xiàn)對應(yīng)支路的導(dǎo)通，進(jìn)一步實現(xiàn)耦合功率檢測和頻率檢測兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

進(jìn)行毫米波信號檢測時，待測信號從第一端口1-1輸入，參考信號從第十六端口5-1輸入，在第二端口1-2通過連接直接加熱式微波功率傳感器進(jìn)行毫米波信號功率的檢測。

兩組懸臂梁5中各選一路耦合信號，中心頻率f₀＝35GHz處相位差為90度，頻率f時相位差可表示為：

兩路耦合信號可以表示為：

其中，a₁和a₂分別為兩路耦合信號的幅度，ω為輸入信號的角頻率，為初始相位，通過開關(guān)使得耦合信號輸入到直接加熱式微波功率傳感器，可以得到a₁和a₂的大小。合成信號的功率可表示為：

為獲得合成信號的功率P，通過開關(guān)使得耦合信號輸入到功率合成器，并由直接加熱式微波功率傳感器進(jìn)行功率檢測。由(1)和(4)式，信號頻率和輸出功率的關(guān)系可以表示為：

根據(jù)上式關(guān)系，可由直接加熱式微波功率傳感器的輸出得到待測毫米波信號的頻率。

進(jìn)行相位檢測時，另外兩路所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號分別和功率等分后的參考信號合成，功率等分后的參考信號可以表示為：

v₃＝a₃cos(ωt+φ) (6)則合成信號的功率大小分別為：

P₁和P₂的大小由終端的微波功率傳感器進(jìn)行檢測，根據(jù)(10)和(11)所示待測信號相位和合成信號功率的大小的關(guān)系，只存在一個未知量，由直接加熱式微波功率傳感器的輸出熱電勢可以得到待測毫米波信號的相位，并可實現(xiàn)整個周期范圍內(nèi)相位角的測量。

本發(fā)明的Si基微機(jī)械懸臂梁耦合直接加熱式毫米波信號檢測器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的制備方法如下：

1)準(zhǔn)備4英寸高阻Si襯底1，電導(dǎo)率為4000Ωcm，厚度為400μm；

2)熱生長一層SiO₂層2，厚度為1.2μm；

3)化學(xué)氣相淀積(CVD)生長一層多晶Si，厚度為0.4μm；

4)涂覆一層光刻膠并光刻，除多晶Si電阻區(qū)域暴露以外，其他區(qū)域被光刻膠保護(hù)，接著注入磷(P)離子，摻雜濃度為10¹⁵cm^-2，形成隔離電阻9和終端電阻10；

5)涂覆一層光刻膠，光刻多晶Si電阻圖形，再通過干法刻蝕形成隔離電阻9和終端電阻10；

6)涂覆一層光刻膠，光刻去除傳輸線、下拉電極13和輸出Pad12處的光刻膠；

7)電子束蒸發(fā)形成第一層金(Au)，厚度為0.3μm，去除光刻膠以及光刻膠上的Au，剝離形成傳輸線的第一層Au、下拉電極13以及輸出Pad12；

8)LPCVD淀積一層Si₃N₄，厚度為0.1μm；

9)涂覆一層光刻膠，光刻并保留MIM電容8和懸臂梁5下方的光刻膠，干法刻蝕Si₃N₄，形成Si₃N₄介電層11；

10)均勻涂覆一層聚酰亞胺并光刻圖形，厚度為2μm，保留懸臂梁5下方的聚酰亞胺作為犧牲層；

11)涂覆光刻膠，光刻去除懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6、傳輸線、MIM電容8、輸出Pad12位置的光刻膠；

12)蒸發(fā)500/1500/300A°的Ti/Au/Ti的種子層，去除頂部的Ti層后再電鍍一層厚度為2μm的Au層；

13)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6、傳輸線、MIM電容8和輸出Pad12；

14)深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作熱電堆下方的薄膜結(jié)構(gòu)；

15)釋放聚酰亞胺犧牲層：顯影液浸泡，去除懸臂梁5下的聚酰亞胺犧牲層，去離子水稍稍浸泡，無水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干。

區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下：

本發(fā)明的Si基微機(jī)械懸臂梁耦合直接加熱式毫米波信號檢測器，結(jié)構(gòu)的襯底為高阻Si。待測毫米波信號由第一端口1-1輸入，由第二端口1-2連接直接加熱式微波功率傳感器進(jìn)行毫米波信號功率的檢測，位于CPW中央信號線3上方的兩組懸臂梁5耦合部分待測毫米波信號，每組懸臂梁5包括兩個對稱設(shè)計的懸臂梁5，兩個懸臂梁5耦合的功率相等，其中一個懸臂梁5的耦合信號用于耦合功率和頻率檢測，兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換通過開關(guān)實現(xiàn)，另一個懸臂梁5的耦合信號用于相位檢測；首先通過開關(guān)使得耦合信號直接輸入到直接加熱式微波功率傳感器檢測耦合功率大小，接著通過開關(guān)使得兩路在所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號進(jìn)行合成并由直接加熱式微波功率傳感器檢測合成功率，從而推算出待測信號的頻率；相位檢測時，將兩路在所測信號頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處相位差為90度的耦合信號，分別同兩路等分后的參考信號合成，同樣利用直接加熱式微波功率傳感器檢測合成功率，從而獲得待測信號的相位。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的Si基微機(jī)械懸臂梁耦合直接加熱式毫米波信號檢測器。