本發(fā)明提出了懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)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)：

在微波技術(shù)研究中，相位是表征微波信號(hào)的重要參數(shù)之一。微波信號(hào)相位檢測(cè)系統(tǒng)在相位調(diào)制器、相移鍵控、微波定位、天線相位方向圖的測(cè)試和近場(chǎng)診斷等方面都有著極其廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的微波相位檢測(cè)技術(shù)是基于二極管、乘法器結(jié)構(gòu)和矢量運(yùn)算原理，它們具有低損耗、高靈敏度和寬頻帶的優(yōu)點(diǎn)，然而其最大的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，并且無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線式的微波相位檢測(cè)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代個(gè)人通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)微波相位檢測(cè)器的要求也越來(lái)越高。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、小的體積以及小的直流功耗成為微波相位檢測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)。隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，并對(duì)高阻硅金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管進(jìn)行了的深入研究，使基于微機(jī)械高阻硅基的懸臂梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上述功能的在線式微波相位檢測(cè)器成為可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是提出一種懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)器，本發(fā)明采用了懸臂梁耦合微波信號(hào)，微波信號(hào)功率檢測(cè)采用直接加熱式微波功率傳感器，微波相位檢測(cè)采用矢量合成法，從而實(shí)現(xiàn)了微波相位的在線式檢測(cè)。

技術(shù)方案：懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)器，在高阻硅襯底上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、兩個(gè)關(guān)于共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線對(duì)稱的兩個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2、功合器以及直接加熱式微波功率傳感器1和直接加熱式微波功率傳感器2。所述的懸臂梁結(jié)構(gòu)包括懸臂梁和錨區(qū)，懸臂梁與下方的待測(cè)信號(hào)傳輸線的信號(hào)線之間設(shè)有絕緣介質(zhì)層；所述的共面波導(dǎo)傳輸線由信號(hào)線和地線構(gòu)成，待測(cè)微波信號(hào)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線，兩個(gè)對(duì)稱的懸臂梁結(jié)構(gòu)懸于待測(cè)信號(hào)傳輸線的信號(hào)線上方，上側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)1的錨區(qū)通過(guò)直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線連接直接加熱式微波功率傳感器1，下側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)2的錨區(qū)通過(guò)功合器的第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線連接至功合器的一個(gè)輸入端，功合器的另一個(gè)輸入端通過(guò)功合器的第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線連接至待測(cè)信號(hào)輸入端口，功合器的輸出端通過(guò)功合器的第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線連接直接加熱式微波功率傳感器2。

功合器包括ACPS信號(hào)線、共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線和隔離電阻，功合器的輸入端和輸出端之間為不對(duì)稱的共面帶線ACPS信號(hào)線，隔離電阻設(shè)置在兩個(gè)輸入端之間。

直接加熱式微波功率傳感器包括終端電阻、半導(dǎo)體熱電偶臂、直流輸出塊、隔絕直流電容和共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線。

本發(fā)明提供了一種懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)器，位于共面波導(dǎo)傳輸線上方的兩個(gè)完全對(duì)稱的懸臂梁在線耦合出部分微波信號(hào)，上側(cè)的懸臂梁結(jié)構(gòu)1的錨區(qū)通過(guò)直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線連接直接加熱式微波功率傳感器1檢測(cè)功率大小，下側(cè)的懸臂梁結(jié)構(gòu)2的錨區(qū)將耦合信號(hào)輸入功合器并與參考信號(hào)進(jìn)行矢量合成，功合器輸出端連接直接加熱式微波功率傳感器2檢查合成信號(hào)功率大小。根據(jù)直接加熱式微波功率傳感器2直流輸出電壓的大小，推斷出待測(cè)信號(hào)的相位。本發(fā)明的懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)器，不但具有易于測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微波信號(hào)相位的在線式檢測(cè)，易于集成以及與高阻硅單片微波集成電路兼容的優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，由于懸臂梁耦合出來(lái)的信號(hào)功率很小，大部分的信號(hào)能夠繼續(xù)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線向后傳播并進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)了在線式微波相位的檢測(cè)。

有益效果：本發(fā)明是懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)器，采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的懸臂梁結(jié)構(gòu)耦合微波信號(hào)，并利用這部分耦合小信號(hào)實(shí)現(xiàn)微波相位的在線式檢測(cè)，而大部分的信號(hào)能夠繼續(xù)在共面波導(dǎo)上傳播并進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)器俯視圖；

圖2為圖1懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)器的A-A’剖面圖；

圖3為圖1懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)器的B-B’剖面圖；

圖中包括：高阻硅襯底1，共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2、地線3，懸臂梁結(jié)構(gòu)1的懸臂梁4、錨區(qū)5，懸臂梁結(jié)構(gòu)2的懸臂梁6、錨區(qū)7，絕緣介質(zhì)層8，功合器的隔離電阻9、ACPS信號(hào)線10、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線11、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線12、第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線13，直接加熱式微波功率傳感器1的終端電阻14、半導(dǎo)體熱電偶臂15、直流輸出塊16、隔絕直流電容17、共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線18，直接加熱式微波功率傳感器2的終端電阻19、半導(dǎo)體熱電偶臂20、直流輸出塊21、隔絕直流電容22，SiO₂層23。在高阻硅襯底1上制備一次SiO₂層23，在SiO₂層23上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2、功合器以及直接加熱式微波功率傳感器1和直接加熱式微波功率傳感器2。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)器制作在高阻硅襯底1上，在高阻硅襯底上制備有一層SiO₂層23，在SiO₂層23上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、兩個(gè)關(guān)于共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2對(duì)稱的懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2、功合器以直接加熱式微波功率傳感器1和直接加熱式微波功率傳感器2。共面波導(dǎo)傳輸線作為本發(fā)明相位檢測(cè)器的信號(hào)傳輸線，用于待測(cè)微波信號(hào)的傳輸，以及懸臂梁結(jié)構(gòu)、功合器和直接加熱式微波功率傳感器之間的信號(hào)傳輸，共面波導(dǎo)傳輸線由共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2和地線3構(gòu)成。

懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2位于待測(cè)信號(hào)傳輸線的共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2上的絕緣介質(zhì)層6的上方。當(dāng)待測(cè)微波信號(hào)通過(guò)待測(cè)信號(hào)傳輸線時(shí)，懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2耦合出部分微波信號(hào)，并且分別由懸臂梁結(jié)構(gòu)1的錨區(qū)5和懸臂梁結(jié)構(gòu)2的錨區(qū)(7)輸出。上側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)1的錨區(qū)5通過(guò)直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線18將耦合微波信號(hào)輸向直接加熱式微波功率傳感器1，并檢測(cè)出其功率為P₁；下側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)2的錨區(qū)7通過(guò)功合器的第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線11將耦合微波信號(hào)輸向功合器，其通過(guò)功合器與功率為P₂的參考信號(hào)矢量合成，合成后的信號(hào)功率為P₃。記待測(cè)微波信號(hào)和參考信號(hào)的相位差為則經(jīng)功合器輸出的合成信號(hào)的功率與相位差存在余弦函數(shù)關(guān)系。待測(cè)微波信號(hào)與參考信號(hào)之間存在一個(gè)相位差功合器的合成信號(hào)的功率P₃與該相位差存在一個(gè)余弦函數(shù)的關(guān)系：

其中P₁、P₂分別為懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)一側(cè)的輸出功率和參考信號(hào)功率?；诠?1)最終可以推導(dǎo)出:

同時(shí)，由于懸臂梁耦合出來(lái)的信號(hào)功率很小，大部分的信號(hào)能夠繼續(xù)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線向后傳播并進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)了在線式微波相位的檢測(cè)。

本發(fā)明的懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)器的制備方法為：

1)準(zhǔn)備4英寸高阻Si襯底，電阻率為4000Ω·cm，厚度為400mm；

2)熱生長(zhǎng)一層厚度為1.2mm的SiO₂層；

3)化學(xué)氣相淀積(CVD)生長(zhǎng)一層多晶硅，厚度為0.4mm；

4)涂覆一層光刻膠并光刻，除多晶硅電阻區(qū)域以外，其他區(qū)域被光刻膠保護(hù)，并注入磷(P)離子，摻雜濃度為10¹⁵cm^-2，形成隔離電阻和終端電阻；

5)涂覆一層光刻膠，光刻多晶硅電阻圖形涂覆一層光刻膠，光刻多晶硅電阻圖形，再通過(guò)干法刻蝕形成隔離電阻和終端電阻；

6)涂覆一層光刻膠，光刻去除共面波導(dǎo)傳輸線、ACP信號(hào)線和輸出電極處的光刻膠；

7)電子束蒸發(fā)(EBE)形成第一層金(Au)，厚度為0.3mm，去除光刻膠以及光刻膠上的Au，剝離形成共面波導(dǎo)傳輸線、ACPS信號(hào)線的第一層Au和隔直電容下極板，以及輸出電極；

8)淀積(LPCVD)一層Si₃N₄，厚度為0.1mm；

9)涂覆一層光刻膠，光刻并保留隔直電容和懸臂梁下方的光刻膠，干法刻蝕Si₃N₄，形成Si₃N₄介質(zhì)層；

10)均勻涂覆一層聚酰亞胺并光刻圖形，厚度為2mm，保留懸臂梁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、懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)、共面波導(dǎo)傳輸線、ACPS信號(hào)線、隔直電容以及輸出電極位置的光刻膠；

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2mm的Au層；

13)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成懸臂梁、懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)、共面波導(dǎo)傳輸線、ACPS信號(hào)線、隔直電容上極板和輸出電極；

14)深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作終端電阻、半導(dǎo)體熱偶臂下方的薄膜結(jié)構(gòu)；

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

區(qū)別是否為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下：

本發(fā)明的懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)器采用兩個(gè)完全對(duì)稱的懸臂梁結(jié)構(gòu)耦合微波信號(hào)，具有兩個(gè)完全相同的直接加熱式微波功率傳感器和一個(gè)功合器。當(dāng)待測(cè)微波信號(hào)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線時(shí)，懸臂梁結(jié)構(gòu)耦合出部分微波信號(hào)，并且分別由懸臂梁結(jié)構(gòu)的兩側(cè)錨區(qū)輸出。上側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線將耦合微波信號(hào)輸向直接加熱式微波功率傳感器；下側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線將耦合微波信號(hào)輸向功合器，其通過(guò)功合器與參考信號(hào)矢量合成。合成信號(hào)的功率與微波信號(hào)間的相位差存在余弦函數(shù)關(guān)系，最終利用矢量合成原理來(lái)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)相位的在線式檢測(cè)。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的懸臂梁耦合在線式微波相位檢測(cè)器。