本發(fā)明提出了硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在當(dāng)今信息科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的時代，對各種信號的探測技術(shù)也在不斷的發(fā)展與完善，毫米波信號是一種介于微波信號和光信號之間的高頻率信號，對于毫米波信號的檢測技術(shù)在軍事、航空航天以及通信領(lǐng)域有著非常廣泛的潛在應(yīng)用。其中相位是毫米波信號中三個重要的參數(shù)之一(功率、頻率和相位)，對相位的檢測一直是人們不斷研究的課題之一，尤其是在毫米波頻段，在這種高頻率波段的相位測量一直是人們遇到的難題之一，現(xiàn)有的相位檢測器有些雖然能夠進(jìn)行高頻率的相位測量，但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，并且無法實現(xiàn)在線式的測量，還有些相位檢測器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)在線式的測量，但是一般都處于低頻段的區(qū)域，無法達(dá)到毫米波頻段，這些問題都制約著相位檢測器的發(fā)展，需要人們?nèi)ゲ粩嗟耐晟婆c解決。

針對以上相位檢測器遇到的難題，并在共面波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、T型結(jié)功分器、T型結(jié)功合器以及間接式熱電式功率傳感器的研究基礎(chǔ)上，本發(fā)明在高阻Si襯底上設(shè)計了一種在已知頻率下的毫米波在線相位檢測器，它采用了共面波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)毫米波的相位檢測，在大大降低相位檢測器的復(fù)雜程度的同時，還提高了其檢測效率。

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硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器，本發(fā)明采用了共面波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)構(gòu)來進(jìn)行相位檢測，在功率分配和功率合成方面則采用了T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器的結(jié)構(gòu)，在信號的功率測量方面則采用了間接式熱電式功率傳感器，從而實現(xiàn)了毫米波的在線相位檢測。

技術(shù)方案：本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器主要是由共面波導(dǎo)、一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)、二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)、三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)、四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)、移相器、一個T型結(jié)功分器、二個T型結(jié)功合器以及四個間接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系如下：第一端口是信號輸入端，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)和二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)位于共面波導(dǎo)上側(cè)地線，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)和四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)則位于共面波導(dǎo)下側(cè)地線，這兩對縫隙關(guān)于中心信號線對稱，它們之間由一個移相器隔開，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第二端口，第二端口與一號間接式熱電式功率傳感器相連，同樣的，二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第三端口，第三端口與二號間接式熱電式功率傳感器連接；再看相位檢測模塊，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第四端口相連，第四端口連接到一號T型結(jié)功合器，四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第五端口相連，第五端口連接到二號T型結(jié)功合器，參考信號通過三號T型結(jié)功分器的輸入端輸入，三號T型結(jié)功分器的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和二號T型結(jié)功合器，然后，一號T型結(jié)功合器的輸出端連接三號間接式熱電式功率傳感器，二號T型結(jié)功合器的輸出端連接四號間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。

對于相位檢測模塊，它主要由兩個縫隙耦合結(jié)構(gòu)、一段移相器、兩個T型結(jié)功合器、一個T型結(jié)功分器以及兩個間接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成，毫米波信號首先經(jīng)過第一個縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出小部分的信號P₃，然后經(jīng)過一段移相器之后再由另一個縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出部分的信號P₄，由于縫隙尺寸相同，所以P₃＝P₁、P₄＝P₂，這兩個耦合信號的初始相位都為Φ，并且它們之間產(chǎn)生了一定的相位差實際上這段移相器就是一段共面波導(dǎo)傳輸線，它的長度設(shè)置為以中心頻率f₀為35GHz處波長的1/4，此時相位差剛好是90°，在不同的頻率f下，相位差是頻率f的函數(shù)：

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(shù)，ΔL為移相器的長度。對于已知的頻率f，根據(jù)函數(shù)關(guān)系式就能得到相位差的大小，已知頻率的參考信號P_c經(jīng)過T型結(jié)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(jìn)行功率合成，得到合成功率P_L，它是關(guān)于相位Φ的三角函數(shù)關(guān)系；而右邊一路信號與第二個縫隙耦合信號進(jìn)行功率合成，得到合成功率P_R，它是關(guān)于相位的三角函數(shù)關(guān)系：

結(jié)合這兩個關(guān)系式，只要測得左右兩路合成信號的功率大小，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(guān)系。

有益效果：在本發(fā)明中，在毫米波頻率已知的情況下，采用了簡單新穎的縫隙耦合結(jié)構(gòu)來進(jìn)行相位檢測，這種結(jié)構(gòu)能將小部分的毫米波信號耦合出來，并利用這部分耦合信號來測量相位，而大部分的信號能夠繼續(xù)在共面波導(dǎo)上傳播并進(jìn)行后續(xù)信號處理，其中功分器和功合器采用的T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器結(jié)構(gòu)，功率檢測器則采用了間接式熱電式功率傳感器，大大的提高了信號檢測的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器的俯視圖

圖2為本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器中T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器的俯視圖

圖3為本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器中間接式熱電式功率傳感器的俯視圖

圖4為本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器中間接式熱電式功率傳感器的剖面圖

圖中包括：高阻Si襯底1，二氧化硅層2，相位檢測模塊3，共面波導(dǎo)4，縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-1，縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-2，縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-3，縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-4，移相器6，終端電阻7，熱電堆8，半導(dǎo)體臂9，半導(dǎo)體臂10，歐姆接觸11，輸出電極12，襯底膜結(jié)構(gòu)13，扇形缺陷結(jié)構(gòu)14，空氣橋15，熱端16，冷端17，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)明的硅基已知頻率的縫隙耦合式的間接式毫米波在線相位檢測器是基于高阻Si襯底1制作的，是由共面波導(dǎo)4、一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-1、二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-2、三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-3、四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-4、移相器6、一個T型結(jié)功分器、二個T型結(jié)功合器以及四個間接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成。

T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器的結(jié)構(gòu)是相同的，主要由共面波導(dǎo)4、兩個扇形缺陷結(jié)構(gòu)14和三個空氣橋15構(gòu)成，扇形缺陷結(jié)構(gòu)14是位于兩個輸入端口處的扇形形狀的缺陷地結(jié)構(gòu)，而空氣橋15是位于中心信號線上方的梁結(jié)構(gòu)。

采用間接式熱電式功率傳感器來實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，它主要由共面波導(dǎo)4、兩個電阻7以及熱電堆8所構(gòu)成，而熱電堆8又是由P型半導(dǎo)體臂9和N型半導(dǎo)體臂10通過歐姆接觸11級聯(lián)組成，其中共面波導(dǎo)4與兩個電阻7相連，而熱電堆8與終端電阻7之間有一段間隔。

具體結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系如下：第一端口1-1是信號輸入端，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-1和二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-2位于共面波導(dǎo)4上側(cè)地線，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-3和四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-4則位于共面波導(dǎo)4下側(cè)地線，這兩對縫隙關(guān)于中心信號線對稱，它們之間由一個移相器6隔開，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-1連接到第二端口1-2，第二端口1-2與一號間接式熱電式功率傳感器相連，同樣的，二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-2連接到第三端口1-3，第三端口1-3與二號間接式熱電式功率傳感器連接；再看相位檢測模塊3，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-3與第四端口1-4相連，第四端口1-4連接到一號T型結(jié)功合器，四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)5-4與第五端口1-5相連，第五端口1-5連接到二號T型結(jié)功合器，參考信號通過三號T型結(jié)功分器的輸入端輸入，三號T型結(jié)功分器的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和二號T型結(jié)功合器，然后，一號T型結(jié)功合器的輸出端連接三號間接式熱電式功率傳感器，二號T型結(jié)功合器的輸出端連接四號間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)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器的制備方法為：

1)準(zhǔn)備高阻Si襯底1(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長一層SiO₂層2，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(dá)到制作終端電阻7的要求。

4)利用掩模版1對要制作熱電堆P型半導(dǎo)體臂9的地方再次進(jìn)行P型離子注入，達(dá)到P型半導(dǎo)體臂9的電阻率要求；

5)利用掩模版2對要制作熱電堆N型半導(dǎo)體臂10的地方進(jìn)行N型離子注入，達(dá)到N型半導(dǎo)體臂10的電阻率要求；

6)涂覆光刻膠，對多晶硅層進(jìn)行光刻，最終形成終端電阻7、熱電堆8的P型半導(dǎo)體臂9和N型半導(dǎo)體臂10；

7)在熱電堆的P型半導(dǎo)體臂9和N型半導(dǎo)體臂10連接處制作歐姆接觸11；

8)在襯底上涂覆光刻膠，去除傳輸線和輸出電極12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，初步形成傳輸線和輸出電極12；

9)在前面步驟處理得到的Si襯底1上，通過PECVD生成一層厚的Si₃N₄介質(zhì)層，光刻Si₃N₄介質(zhì)層，僅保留空氣橋15位置下方的Si₃N₄介質(zhì)層；

10)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15下方的聚酰亞胺犧牲層；

11)涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作傳輸線、輸出電極12以及空氣橋15地方的光刻膠，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、輸出電極12以及空氣橋15；

12)在襯底的背面涂覆光刻膠，去除預(yù)備在襯底背面形成薄膜結(jié)構(gòu)13地方的光刻膠，在終端負(fù)載電阻7和熱電堆8熱端下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結(jié)構(gòu)13，保留約為40μm厚的膜結(jié)構(gòu)；

13)釋放聚酰亞胺犧牲層，以去除空氣橋15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(jié)構(gòu)，這種縫隙耦合結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒃诠裁娌▽?dǎo)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相位大小，實現(xiàn)毫米波的在線式檢測；功率分配器和功率合成器采用T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)功率的平分或合成；至于對合成信號的檢測，則采用間接式熱電式功率傳感器來實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。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)在共面波導(dǎo)上傳播并進(jìn)行后續(xù)的電路處理。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器。