本發(fā)明提出了硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術領域。

背景技術：

隨著電子信息電子科學技術的持續(xù)發(fā)展，人們已經來到了一個信息非常多元化的時代，人們周圍都充斥著各種各樣的信息通訊設備，歸根結底地講，幾乎所有的通訊信息設備都離不開對信號的檢測和處理，因此信號的檢測也一直是人們日益不斷研究的重要內容。目前，人們研究的大多數信號主要集中在低頻和某些高頻波段，對于極高頻的信號研究較少，毫米波信號是一種位于微波和遠紅外波交疊區(qū)域的極高頻信號，隨著對頻段資源的不斷開發(fā)，毫米波的信號檢測技術也被提上了時代大舞臺。眾所周知，一個信號的三大參數為頻率、相位和功率，其中毫米波信號的相位檢測是非常重要的一部分內容，然而當今的相位檢測器通常結構復雜，不易于集成，而且頻率也無法達到極高頻，通常毫米波的相位檢測分為已知頻率下和未知頻率下的檢測，在實際情況下，一個未知信號的頻率也是無法知曉的，因此未知頻率下的相位檢測器必須先測量其頻率，確定參考信號的頻率，最后再測量相位。

在共面波導縫隙耦合結構、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及直接式熱電式功率傳感器的研究基礎上，本發(fā)明在高阻Si襯底上設計了一種在未知頻率下的毫米波在線相位檢測器，本發(fā)明利用了共面波導縫隙耦合結構將毫米波的頻率和相位檢測集成在一起，具有較高的潛在價值。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：本發(fā)明的目的是提供一種硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器，本發(fā)明采用了簡單新穎的共面波導縫隙耦合結構，在功率分配和功率合成方面則采用了常見的Wilkinson功分器和Wilkinson功合器結構，在合成信號的測量方面則采用了直接式熱電式功率傳感器。

技術方案：本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器是由共面波導、一號縫隙耦合結構、二號縫隙耦合結構、三號縫隙耦合結構、四號縫隙耦合結構、移相器、一號單刀雙擲開關、二號單刀雙擲開關、一個Wilkinson功分器、三個Wilkinson功合器以及五個直接式熱電式功率傳感器所構成，具體結構的連接關系如下：第一端口是信號輸入端，一號縫隙耦合結構和二號縫隙耦合結構位于共面波導上側地線，三號縫隙耦合結構和四號縫隙耦合結構則位于共面波導下側地線，這兩對縫隙關于中心信號線對稱，它們之間由一個移相器隔開，首先來看頻率檢測模塊，一號縫隙耦合結構連接到第二端口，第二端口與一號單刀雙擲開關的輸入端相連，一號單刀雙擲開關的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和一號直接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號縫隙耦合結構連接到第三端口，第三端口與二號單刀雙擲開關的輸入端相連，二號單刀雙擲開關的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和二號直接式熱電式功率傳感器，而一號Wilkinson功合器的輸出端連接到三號直接式熱電式功率傳感器；再看相位檢測模塊，三號縫隙耦合結構與第四端口相連，第四端口連接到二號Wilkinson功合器，四號縫隙耦合結構與第五端口相連，第五端口連接到三號Wilkinson功合器，參考信號通過四號Wilkinson功分器的輸入端輸入，四號Wilkinson功分器的輸出端分別連接到二號Wilkinson功合器和三號Wilkinson功合器，然后，二號Wilkinson功合器的輸出端連接四號直接式熱電式功率傳感器，三號Wilkinson功合器的輸出端連接五號直接式熱電式功率傳感器，第六端口處連接著后續(xù)處理電路。

首先，對于毫米波的頻率檢測模塊，它主要是由兩個縫隙耦合結構、一段移相器、兩個單刀雙擲開關、一個Wilkinson功合器以及一個直接式功熱電式率傳感器所構成，毫米波信號首先經過第一個縫隙耦合結構耦合出小部分的信號P₁，然后經過一段移相器之后再由另一個縫隙耦合結構耦合出部分的信號P₂，這樣兩個耦合信號之間就產生了一定的相位差實際上這段移相器就是一段共面波導傳輸線，它的長度設置為以中心頻率f₀為35GHz處波長的1/4，此時相位差就是90°，但是當頻率f變化時，相位差是頻率f的函數：

其中f為毫米波信號的頻率，c為光速，ε_er為傳輸線的相對介電常數，ΔL為移相器的長度，因此只要測出的值，就能得到頻率f的大小。于是將兩個耦合信號P₁、P₂經過Wilkinson功合器進行合成，再用直接式熱電式功率傳感器去檢測合成信號功率P_s的大小，合成信號的功率P_s是關于相位差的三角函數關系：

由于耦合信號P₁、P₂的大小未知，因此這里采用了兩個單刀雙擲開關將兩個耦合出來的小信號率先進行功率檢測，得到其功率大小，然后再通過Wilkinson功合器進行功率合成，于是由公式(2)就能計算出頻率f的大小。注意這里的相位差只是兩個耦合小信號之間的相位差，并不是原毫米波信號的相位Φ，還需要通過相位檢測模塊來精確確定原毫米波信號的相位Φ。

其次，對于毫米波的相位檢測模塊，同樣地也是由兩個縫隙耦合結構耦合出部分小信號P₃和P₄，由于縫隙尺寸相同，所以它們的功率大小等于之前測得的耦合小信號P₁和P₂，它們的初始相位都為Φ，只是其中第二個縫隙耦合信號多傳播了相位參考信號P_c經過Wilkinson功分器分解成左右兩路一模一樣的信號，左邊一路信號與第一個縫隙耦合信號進行功率合成，得到合成功率P_L，它是關于相位Φ的三角函數關系；而右邊一路信號與第二個縫隙耦合信號進行功率合成，得到合成功率P_R，它是關于相位的三角函數關系；

其中P₃＝P₁、P₄＝P₂，結合這兩個關系式，不僅可以得到相位Φ的大小，還可以得到相位的超前或滯后關系。

有益效果：在本發(fā)明中，采取了簡單新穎的縫隙耦合結構，這種縫隙耦合結構能夠將在共面波導中傳播的電磁場能量耦合出小部分，利用這耦合出的小信號來檢測原毫米波信號的頻率和相位大小，同時由于耦合出的信號能量非常小，因此幾乎對原毫米波信號影響不大，原毫米波信號可以繼續(xù)向后傳播，非常有效的實現(xiàn)了未知頻率下毫米波信號的相位檢測，大大提高了信號檢測器的效率，具有較高的潛在應用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器的俯視圖

圖2為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器中單刀雙擲開關的俯視圖

圖3為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器中單刀雙擲開關AA’方向的剖面圖

圖4為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器中Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的俯視圖

圖5為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器中直接式熱電式功率傳感器的俯視圖

圖6為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器中直接式熱電式功率傳感器AA’方向的剖面圖

圖7為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器中直接式熱電式功率傳感器BB’方向的剖面圖

圖中包括：共面波導1，縫隙耦合結構2-1，縫隙耦合結構2-2，縫隙耦合結構2-3，縫隙耦合結構2-4，移相器3，頻率檢測模塊4，相位檢測模塊5，隔離電阻6，非對稱共面帶線7，空氣橋8，金屬臂9，P型半導體臂10，歐姆接觸11，熱端12，冷端13，隔直電容14，輸出電極15，隔直電容下極板16，Si₃N₄介質層17，隔直電容上極板18，襯底膜結構19，高阻Si襯底20，SiO₂層21，一號單刀雙擲開關22，二號單刀雙擲開關23，開關梁24，錨區(qū)25，開關下拉電極板26，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。

具體實施方案

本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器是基于高阻Si襯底20制作的，是由共面波導1、一號縫隙耦合結構2-1、二號縫隙耦合結構2-2、三號縫隙耦合結構2-3、四號縫隙耦合結構2-4、移相器3、一號單刀雙擲開關22、二號單刀雙擲開關23、一個Wilkinson功分器、三個Wilkinson功合器以及五個直接式熱電式功率傳感器所構成。

單刀雙擲開關22是由共面波導1、錨區(qū)25、Si₃N₄介質層17、開關下拉電極板26和開關梁24組成的，共面波導1連接到錨區(qū)25上，錨區(qū)25與兩條不同支路上的開關梁24相連接，其中一條支路連接直接式熱電式功率傳感器，另一條支路連接Wilkinson功合器的輸入端，開關梁24下方存在著一層空氣間隙，在這個空氣間隙中安置有開關下拉電極板26，而在開關下拉電極板26上還覆蓋著一層Si₃N₄介質層17。

Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結構是相同的，主要由共面波導1、非對稱共面帶線7和隔離電阻6構成，其中兩條長度相同的非對稱共面帶線7能夠將共面波導1上的毫米波信號分為相等的兩部分，而隔離電阻6位于兩條非對稱共面帶線7的末端。

采用直接式熱電式功率傳感器來實現(xiàn)熱電轉換，它主要由共面波導1、金屬臂9、P型半導體臂10以及一個隔直電容14構成，其中金屬臂9和P型半導體臂10構成的兩個熱電偶是并聯(lián)連接的，而共面波導1直接與這兩個熱電偶的一端相連。

具體結構的連接關系如下：第一端口1-1是信號輸入端，一號縫隙耦合結構2-1和二號縫隙耦合結構2-2位于共面波導1上側地線，三號縫隙耦合結構2-3和四號縫隙耦合結構2-4則位于共面波導1下側地線，這兩對縫隙關于中心信號線對稱，它們之間由一個移相器3隔開，首先來看頻率檢測模塊4，一號縫隙耦合結構2-1連接到第二端口1-2，第二端口1-2與一號單刀雙擲開關22的輸入端相連，一號單刀雙擲開關22的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和一號直接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號縫隙耦合結構2-2連接到第三端口1-3，第三端口1-3與二號單刀雙擲開關23的輸入端相連，二號單刀雙擲開關23的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和二號直接式熱電式功率傳感器，而一號Wilkinson功合器的輸出端連接到三號直接式熱電式功率傳感器；再看相位檢測模塊5，三號縫隙耦合結構2-3與第四端口1-4相連，第四端口1-4連接到二號Wilkinson功合器，四號縫隙耦合結構2-4與第五端口1-5相連，第五端口1-5連接到三號Wilkinson功合器，參考信號通過四號Wilkinson功分器的輸入端輸入，四號Wilkinson功分器的輸出端分別連接到二號Wilkinson功合器和三號Wilkinson功合器，然后，二號Wilkinson功合器的輸出端連接四號直接式熱電式功率傳感器，三號Wilkinson功合器的輸出端連接五號直接式熱電式功率傳感器，第六端口1-6處連接著后續(xù)處理電路。

本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器的制備方法為：

1)準備高阻Si襯底20(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長一層SiO₂層21，厚度為1.2um；

3)淀積一層多晶硅，P型離子注入(摻雜濃度為10¹⁵cm^-2)，以達到制作Wilkinson功分器的隔離電阻6和熱電偶金屬臂9的電阻率要求。

4)利用掩模版對要制作熱電偶P型半導體臂10的地方再次進行P型離子注入，達到P型半導體臂10的電阻率要求；

5)涂覆光刻膠，對多晶硅層進行光刻，最終形成隔離電阻6、熱電偶的金屬臂9和P型半導體臂10；

6)在熱電偶的金屬臂9和P型半導體臂10連接處制作歐姆接觸11；

7)在襯底上涂覆光刻膠，去除傳輸線、隔直電容14、輸出電極15和開關下拉電極板26處的光刻膠，蒸發(fā)一層種子層Ti，厚度為然后制備第一層金，厚度為0.3um，通過剝離工藝去除保留的光刻膠，連帶去除在光刻膠上面的金屬層，初步形成傳輸線、隔直電容的下極板16、輸出電極15和開關下拉電極板26；

8)在前面步驟處理得到的Si襯底上，通過PECVD生成一層厚的Si₃N₄介質層，光刻Si₃N₄介質層，僅保留要制作隔直電容14、空氣橋8和開關梁24處的Si₃N₄介質層17；

9)淀積一層1.6μm厚的聚酰亞胺犧牲層，要求填滿所有凹坑；光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留空氣橋8和開關梁24下方的聚酰亞胺犧牲層；

10)涂覆光刻膠，去除預備制作傳輸線、隔直電容14、輸出電極15、空氣橋8和開關梁24處的光刻膠，蒸發(fā)一層種子層Ti，厚度為制備第二層金，厚度為2um，最后，去除保留的光刻膠，形成傳輸線、隔直電容的上極板18、輸出電極15、空氣橋8和開關梁24；

11)在襯底的背面涂覆光刻膠，去除預備在襯底背面形成薄膜結構19地方的光刻膠，在熱電偶中間區(qū)域即熱端12下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結構19，保留約為40μm厚的膜結構；

12)釋放聚酰亞胺犧牲層，以去除空氣橋8和開關梁24下方的聚酰亞胺犧牲層；最后，在去離子水中浸泡5分鐘，無水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干。

本發(fā)明的不同之處在于：

本發(fā)明采用了新穎的縫隙耦合結構，這種縫隙耦合結構能夠將在共面波導中傳播的電磁場能量耦合出一部分，從而利用這耦合出的部分小信號來檢測原毫米波信號的頻率和相位大小，從而實現(xiàn)了未知頻率下的毫米波相位檢測；功率分配器和功率合成器都采用Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結構來實現(xiàn)功率的平分或合成；至于對合成信號的檢測，則采用直接式熱電式功率傳感器來實現(xiàn)熱電轉換。這些結構不僅簡化了電路版圖，降低了制作成本，而且大大提高了毫米波信號的檢測效率，同時由于耦合出的信號能量和原信號相比非常小，因此幾乎對原毫米波信號影響不大，原毫米波信號可以繼續(xù)向后傳播進行后續(xù)的電路處理。

滿足以上條件的結構即視為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器。