本發(fā)明提出了固支梁間接加熱在線式未知頻率微波相位檢測器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

微波信號的幅度、功率、頻率等參數(shù)是傳統(tǒng)的測量參數(shù)。微波信號相位測量不僅與功率測量相關(guān)，而且它本身在微波測量中也占有十分重要的地位。隨著頻率的增加，信號的波長與電路中各種元器件尺寸逐步接近，電路中電壓、電流都以波的形式存在，信號的相位延遲使得電路中不僅不同位置處的電壓、電流在同一時(shí)刻振幅各不相同，而且同一位置處的電壓、電流在不同時(shí)刻也各不相同。因此在微波頻段掌握并控制信號的相位是很有必要的，微波信號的相位也就成了一個(gè)重要的測量參數(shù)。本發(fā)明即是基于Si工藝設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)在線式相位檢測的固支梁間接加熱在線式未知頻率微波相位檢測器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種固支梁間接加熱在線式未知頻率微波相位檢測器，應(yīng)用六端口固支梁耦合器來耦合小部分信號進(jìn)行頻率檢測和相位檢測，而大部分檢測信號可以輸入到下一級處理電路中，實(shí)現(xiàn)對未知頻率信號的0-360°相位在線檢測，且具有低功耗的益處。

技術(shù)方案：本發(fā)明的固支梁間接加熱在線式未知頻率微波相位檢測器由六端口固支梁耦合器，通道選擇開關(guān)，微波頻率檢測器，微波相位檢測器組成；

六端口固支梁耦合器的第一端口到第三端口、第四端口以及第一端口到第五端口、第六端口的功率耦合度分別相同，待測信號經(jīng)第一端口輸入，由第二端口輸出到下級處理電路，由第四端口和第六端口輸出到微波相位檢測器的第一Wilkinson功率合成器和第二Wilkinson功率合成器，并由第一Wilkinson功率合成器和第二Wilkinson功率合成器輸出到第三間接加熱式微波功率傳感器和第四間接加熱式微波功率傳感器；由第三端口和第五端口輸出到通道選擇開關(guān)；通道選擇開關(guān)的第七端口和第八端口分別接第一間接加熱式微波功率傳感器和第二間接加熱式微波功率傳感器，通道選擇開關(guān)的第九端口和第十端口接微波頻率檢測器的第三Wilkinson功率合成器，并由第三Wilkinson功率合成器輸出到第五間接加熱式微波功率傳感器實(shí)現(xiàn)了對未知頻率信號的相位在線檢測。

其中六端口固支梁耦合器的結(jié)構(gòu)以其中心線左右對稱設(shè)置，由共面波導(dǎo)，介質(zhì)層，空氣層和橫跨在其上方固支梁構(gòu)成；共面波導(dǎo)制作在SiO₂層上，錨區(qū)制作在共面波導(dǎo)上，固支梁的下方沉積介質(zhì)層，并與空氣層、固支梁共同構(gòu)成耦合電容結(jié)構(gòu)，兩個(gè)固支梁之間的共面波導(dǎo)長度為λ/4；

有益效果：

1)本發(fā)明的固支梁間接加熱在線式未知頻率微波相位檢測器將微波信號的相位、頻率測模塊集成到一起，應(yīng)用六端口固支梁耦合器來耦合小部分信號進(jìn)行頻率檢測和相位檢測，而大部分信號可以輸入到下一級處理電路中，實(shí)現(xiàn)對未知頻率信號的0-360°相位在線檢測。

2)本發(fā)明的固支梁間接加熱在線式未知頻率微波相位檢測器應(yīng)用間接加熱式微波功率傳感器檢測微波信號的功率，具有較好的微波特性且無直流功耗；

3)本發(fā)明中的微波相位檢測模塊應(yīng)用兩個(gè)Wilkinson功率合成器，一個(gè)Wilkinson功率分配器和兩個(gè)間接加熱式微波功率傳感器實(shí)現(xiàn)0-360°的相位檢測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明固支梁間接加熱在線式未知頻率微波相位檢測器的原理框圖，

圖2為六端口固支梁耦合器的俯視圖，

圖3為圖2六端口固支梁耦合器的AA’方向剖面圖，

圖4為通道選擇開關(guān)的俯視圖，

圖5為圖4通道選擇開關(guān)的AA’方向剖面圖，

圖6為Wilkinson功率分配/合成器的俯視圖，

圖7為間接加熱式微波功率傳感器的俯視圖，

圖8為圖7間接加熱式微波功率傳感器的AA’方向剖面圖。

圖中包括：六端口固支梁耦合器1，通道選擇開關(guān)2，微波頻率檢測器3，微波相位檢測器4，第一間接加熱式微波功率傳感器5-1，第二間接加熱式微波功率傳感器5-2，第三間接加熱式微波功率傳感器5-3，第四間接加熱式微波功率傳感器5-4，第五間接加熱式微波功率傳感器5-5，第一Wilkinson功率合成器6-1，第二Wilkinson功率合成器6-2，Wilkinson功率分配器7，Si襯底8，SiO₂層9，共面波導(dǎo)10，錨區(qū)11，介質(zhì)層12，固支梁13，懸臂梁14，空氣層15，空氣橋16，非對稱共面帶線17，隔離電阻18，終端電阻19，P型半導(dǎo)體臂20，N型半導(dǎo)體臂21，輸出電極22，熱端23，冷端24，襯底薄膜結(jié)構(gòu)25，下拉電極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，第七端口2-1，第八端口2-2，第九端口2-3，第十端口2-4,，第十一端口6-1，第十二端口6-2，第十三端口6-3.

具體實(shí)施方式

本發(fā)明固支梁間接加熱在線式未知頻率微波相位檢測器由六端口固支梁耦合器1，通道選擇開關(guān)2，微波頻率檢測器3，微波相位檢測器4級聯(lián)構(gòu)成；其中，六端口固支梁耦合器1由共面波導(dǎo)10，介質(zhì)層12，空氣層15和固支梁13構(gòu)成；共面波導(dǎo)10制作在SiO₂層9上，固支梁13的錨區(qū)11制作在共面波導(dǎo)10上，固支梁13的下方沉積有介質(zhì)層12，并與空氣層15、固支梁13共同構(gòu)成耦合電容結(jié)構(gòu)，兩個(gè)固支梁13之間的共面波導(dǎo)10長度為λ/4；通道選擇開關(guān)2由共面波導(dǎo)10，錨區(qū)11，介質(zhì)層12，懸臂梁14，下拉電極26構(gòu)成；懸臂梁14的錨區(qū)11制作在共面波導(dǎo)10上，懸臂梁14下方制作下拉電極26，并與下拉電極26上方介質(zhì)層12共同構(gòu)成開關(guān)結(jié)構(gòu)；微波頻率檢測器3由第三Wilkinson功率合成器6-3和第五間接加熱式微波功率傳感器5-5級聯(lián)構(gòu)成；微波相位檢測器4由第三間接加熱式微波功率傳感器5-3，第四間接加熱式微波功率傳感器5-4，第一Wilkinson功率合成器6-1，第二Wilkinson功率合成器6-2，Wilkinson功率分配器7構(gòu)成；第一Wilkinson功率合成器6-1，第二Wilkinson功率合成器6-2和Wilkinson功率分配器7的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，由共面波導(dǎo)10、非對稱共面帶線17和空氣橋15、隔離電阻18構(gòu)成，信號從端口11輸入為Wilkinson功率分配器7，信號從端口12，13輸入為第一Wilkinson功率合成器6-1或第二Wilkinson功率合成器6-2；

六端口固支梁耦合器1的第一端口1-1到第三端口1-3、第四端口1-4及第一端口1-1到第五端口1-5、第六端口1-6的功率耦合度分別相同；待測信號經(jīng)六端口固支梁耦合器1的第一端口1-1輸入，由第二端口1-2輸出到下級處理電路，由第四端口1-4和第六端口1-6輸出到微波相位檢測器4，由第三端口1-3和第五端口1-5輸出到通道選擇開關(guān)2；通道選擇開關(guān)2的第七端口2-1和第八端口1-2分別接第一間接加熱式微波功率傳感器5-1和第二間接加熱式微波功率傳感器5-2，通道選擇開關(guān)2的第三端口3和第四端口4接微波頻率檢測器3，實(shí)現(xiàn)了對未知頻率信號的相位檢測，且檢測后的信號可以用于其他處理電路。其間接加熱式微波功率傳感器和微波相位、頻率的檢測原理可以解釋如下：

間接加熱式微波功率傳感器：如圖7所示微波功率從輸入端口輸入，通過共面波導(dǎo)10輸入到終端電阻19被轉(zhuǎn)化成熱量；P型半導(dǎo)體臂20和N型半導(dǎo)體臂21構(gòu)成熱電偶，熱電偶靠近終端電阻19區(qū)域作為熱端23，熱電偶靠近輸出電極22區(qū)域作為冷端24；根據(jù)Seebeck效應(yīng)，通過測量輸出電極22的熱電勢可知輸入微波功率大??；熱電偶的熱端23背部將襯底減薄構(gòu)成襯底薄膜結(jié)構(gòu)25用以提高檢測靈敏度。

頻率檢測：如圖1所示微波信號經(jīng)六端口固支梁耦合器1的第三端口1-3和第五端口1-5輸出到通道選擇開關(guān)2；通道選擇開關(guān)2的第七端口2-1和第八端口2-2接第一間接加熱式微波功率傳感器5-1和第二間接加熱式微波功率傳感器5-2，通道選擇開關(guān)2的第九端口2-3和第十端口2-4接微波頻率檢測器3；通道選擇開關(guān)2的懸臂梁14接地，下拉電極26接驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓大于等于開啟電壓時(shí)，懸臂梁14被拉下，通道被選通；當(dāng)通道選擇開關(guān)2的第七端口2-1和第八端口2-2被選通時(shí)，可以測試出六端口固支梁耦合器1的輸出耦合功率P₃和P₅。六端口固支梁耦合器1的兩個(gè)固支梁13之間的共面波導(dǎo)10長度為λ/4，此時(shí)第三端口1-3和第五端口1-5的相位差為90°，且如公式(1)所示相位差是頻率的線性函數(shù)。

λ為輸入微波信號的波長，c是光速，ε_er為等效介電常數(shù)只與結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)通道選擇開關(guān)2的端口9和端口10被選通時(shí)，兩路微波信號經(jīng)過Wilkinson功率合成器5進(jìn)行功率合成，并應(yīng)用間接加熱式微波功率傳感器5檢測合成信號功率P_s大小，根據(jù)公式(2)可得出輸入微波信號的頻率。

P₃，P₅為第三端口1-3與第五端口1-5耦合的功率，可由間接加熱式微波功率傳感器5檢測得到。

相位檢測器：如圖1所示微波信號經(jīng)六端口固支梁耦合器1的第四端口1-4和第六端口1-6輸入到微波相位檢測器4進(jìn)行相位檢測；六端口固支梁耦合器1的兩個(gè)固支梁13之間的共面波導(dǎo)10長度為λ/4，此時(shí)通過第四端口1-4和第六端口1-6的兩路微波信號相位差為90°；輸入功率P_r，與待測信號頻率相同f(微波頻率檢測器3測得)的參考信號，參考信號經(jīng)Wilkinson功率分配器7分成兩路功率和相位相同的信號，與第四端口1-4和第六端口1-6的兩路待測信號經(jīng)第一Wilkinson功率合成器6-1和第二Wilkinson功率合成器6-2進(jìn)行功率合成；第三間接加熱式微波功率傳感器5-3和第四間接加熱式微波功率傳感器5-4對左右兩路合成后的功率P_cs1，P_cs2進(jìn)行檢測，并通過公式(3)得出待測與參考信號之間的相位差

P₄，P₆為第四端口1-4與第六端口1-6耦合的功率，并且P₄＝P₃，P₆＝P₅。

固支梁間接加熱在線式未知頻率微波相位檢測器的制備方法包括以下幾個(gè)步驟：

1)準(zhǔn)備4英寸高阻Si襯底8，電阻率為4000Ω·cm，厚度為400mm；

2)熱生長一層厚度為1.2mm的SiO₂層9；

3)化學(xué)氣相淀積(CVD)生長一層多晶硅，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18和終端電阻19；

5)涂覆一層光刻膠，用P⁺光刻板進(jìn)行光刻，除P型半導(dǎo)體臂20區(qū)域以外，其他區(qū)域被光刻膠保護(hù)，接著注入硼(B)離子，摻雜濃度為10¹⁶cm^-2，形成熱電偶的P型半導(dǎo)體臂20；

6)涂覆一層光刻膠，用N⁺光刻板進(jìn)行光刻，除N型半導(dǎo)體臂21區(qū)域以外，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10¹⁶cm^-2，形成熱電偶的N型半導(dǎo)體臂21；

7)涂覆一層光刻膠，光刻熱電堆和多晶硅電阻圖形，再通過干法刻蝕形成熱電偶臂和多晶硅電阻；

8)涂覆一層光刻膠，光刻去除共面波導(dǎo)10、非對稱共面帶線17、金屬互連線輸出電極22以及下拉電極26處的光刻膠；

9)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)10和非對稱共面帶17的第一層Au、輸出電極22、熱電堆金屬互連線以及下拉電極26；

10)淀積(LPCVD)一層Si₃N₄，厚度為0.1mm；

11)涂覆一層光刻膠，光刻并保留固支梁13和懸臂梁14下方的光刻膠，干法刻蝕Si₃N₄，形成介質(zhì)層12；

12)均勻涂覆一層空氣層15并光刻圖形，厚度為2mm，保留固支梁13和懸臂梁14下方的聚酰亞胺作為犧牲層；

13)涂覆光刻膠，光刻去除固支梁13、懸臂梁14、錨區(qū)11、共面波導(dǎo)10、非對稱共面帶線17及輸出電極22位置的光刻膠；

14)蒸發(fā)500/1500/300 A°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；

15)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成固支梁13、懸臂梁14、錨區(qū)11、共面波導(dǎo)10、非對稱共面帶線17及輸出電極22；

16)深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作薄膜結(jié)構(gòu)25；

17)釋放聚酰亞胺犧牲層：顯影液浸泡，去除固支梁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。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于：

本發(fā)明采用了新穎的六端口固支梁耦合結(jié)構(gòu)，其中六端口固支梁耦合器的第一端口到第三端口、第四端口以及第一端口到第五端口、第六端口的功率耦合度相同；這種固支梁耦合結(jié)構(gòu)從共面波導(dǎo)傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘栔旭詈铣鲂〔糠值男盘杹頇z測微波信號的頻率和相位大小，而大部分信號可以輸入到下一級處理電路中；應(yīng)用間接加熱式微波功率傳感器來檢測微波信號的功率，具有較好的微波特性且無直流功耗；本發(fā)明的固支梁在線式未知頻率微波相位檢測器，實(shí)現(xiàn)了對未知頻率信號的0-360°相位在線檢測。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的固支梁間接加熱在線式未知頻率微波相位檢測器。