本發(fā)明提出了硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著信息科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，信號的檢測尤其是微波等高頻率信號的頰側(cè)技術(shù)顯得越來越重要，為了適應(yīng)當(dāng)今這個信息時代，毫米波信號檢測技術(shù)也必須與時俱進(jìn)，不斷發(fā)展。眾所周知，精確確定一個信號需要三大參數(shù)：頻率、相位和功率，因此對這三個參數(shù)的測量是一項非常重要的任務(wù)，可以說在航空航天、微波通信等領(lǐng)域有著非常好的潛在應(yīng)用價值，在低頻率階段，人們對這三個參數(shù)的測試結(jié)構(gòu)已經(jīng)研究的頗為深刻了，各種各樣的信號檢測器已經(jīng)能很好的滿足人們的需求了，但是在高頻段，尤其是位于毫米波頻段內(nèi)，現(xiàn)有的頻率檢測器、相位檢測器和功率檢測器不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、成本較高，而且很難將它們高效地集成在一起，另外由于處于毫米波頻段，各個信號檢測器都勢必制作的非常小，這樣就會引起各種不必要的高頻效應(yīng)。

為了解決上述問題，隨著對共面波導(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深入研究，本發(fā)明在高阻Si襯底上設(shè)計了一種將毫米波頻率、相位和功率檢測集成在一起的信號檢測儀器，這種利用縫隙耦合結(jié)構(gòu)的信號檢測器不僅結(jié)構(gòu)簡單新穎，而且制作成本較低，在毫米波頻段可以高效的監(jiān)測信號的各個參數(shù)，而且通過模數(shù)轉(zhuǎn)換和液晶顯示環(huán)節(jié)對測得的微波參量進(jìn)行顯示輸出，得到一個完整的微波信號檢測儀器，具有較高的應(yīng)用價值。

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縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器，為了解決傳統(tǒng)信號檢測器結(jié)構(gòu)復(fù)雜的難題，本發(fā)明采用了共面波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)構(gòu)，而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)功合器結(jié)構(gòu)，在功率檢測方面采用了間接式熱電式功率傳感器，這三種結(jié)構(gòu)可以有效的集成在一起，從而達(dá)到對毫米波信號的頻率、相位和功率的精確測量，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將待測的參量直接顯示在液晶屏幕上，形成一個全面的微波信號檢測儀器，為毫米波信號的檢測打下了堅實牢固的基礎(chǔ)。

技術(shù)方案：本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器主要是由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、MCS51單片機和液晶顯示四大模塊組成，這四個大模塊又由一些基礎(chǔ)的小模塊和電路構(gòu)成。

其中傳感器部分是由頻率檢測模塊、相位檢測模塊和功率檢測模塊這三個小模塊構(gòu)成，它們制作在高阻Si襯底上，是由共面波導(dǎo)傳輸線、四個尺寸相同的縫隙耦合結(jié)構(gòu)、移相器、兩個尺寸相同的單刀雙擲開關(guān)、一個T型結(jié)功分器、三個T型結(jié)功合器以及六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)傳輸線上側(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)傳輸線下側(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，首先來看頻率檢測模塊，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第二端口，第二端口與一號單刀雙擲開關(guān)的輸入端相連，一號單刀雙擲開關(guān)的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和一號間接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號縫隙耦合結(jié)連接到第三端口，第三端口與二號單刀雙擲開關(guān)的輸入端相連，二號單刀雙擲開關(guān)的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和二號間接式熱電式功率傳感器，而一號T型結(jié)功合器的輸出端連接到三號間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(jié)構(gòu)與第四端口相連，第四端口連接到二號T型結(jié)功合器，四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第五端口相連，第五端口連接到三號T型結(jié)功合器，參考信號通過四號T型結(jié)功分器的輸入端輸入，四號T型結(jié)功分器的輸出端分別連接到二號T型結(jié)功合器和三號T型結(jié)功合器，然后，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，三號T型結(jié)功合器的輸出端連接五號間接式熱電式功率傳感器，最后是功率檢測模塊，在第六端口處連接著六號間接式熱電式功率傳感器。

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(jié)構(gòu)、一段移相器、兩個單刀雙擲開關(guān)、一個T型結(jié)功合器以及一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P₁(對應(yīng)電壓為V₁)，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P₂(對應(yīng)電壓為V₂)，這樣兩個耦合信號之間就產(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，此時相位差就是90°，但是當(dāng)頻率f變化時，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。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(jīng)過T型結(jié)功合器進(jìn)行合成，再用間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(對應(yīng)電壓為V_s)是關(guān)于相位差的三角函數(shù)關(guān)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(guān)將兩個耦合出來的小信號率先進(jìn)行功率檢測，得到其功率大小，然后再通過T型結(jié)功合器進(jìn)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。

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(jié)構(gòu)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，在經(jīng)過移相器之后，第二個縫隙耦合信號與第一個縫隙耦合信號之間有了相位差從附圖中圖2可以看到，參考信號P_c(對應(yīng)電壓為V_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(對應(yīng)電壓為V_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(對應(yīng)電壓為V_R)，它是關(guān)于相位的三角函數(shù)關(guān)系：

其中P₃＝P₁、P₄＝P₂，結(jié)合這兩個關(guān)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(guān)系，實現(xiàn)了-180°～+180°的相位檢測。

最后的毫米波功率檢測模塊是用間接式的熱電式功率檢測器來檢測原毫米波信號的功率大小的，它主要是由共面波導(dǎo)傳輸線、終端電阻和熱電堆所構(gòu)成，而熱電堆主要是由兩種不同的半導(dǎo)體臂級聯(lián)所組成，這樣終端電阻吸收能量后發(fā)出的熱量就會被熱電堆的熱端吸收，熱電堆的熱端和冷端會因此產(chǎn)生溫差，根據(jù)seebeck效應(yīng)就能得到熱電勢的值，需要注意的是為了熱電堆更好的吸收熱能，在終端電阻和熱電堆下方會將襯底減薄，這樣熱能就不會從襯底耗散掉，從而提高了熱電轉(zhuǎn)換效率。原毫米波信號的功率大小P可以由下式表達(dá)：

由于間接式熱電式功率檢測器輸出的是模擬電壓，并不是功率大小，因此公式(1)、(2)、(3)中出現(xiàn)的功率P₁、P₂、P₃、P₄、P_L、P_R、P_C、P_S都需要經(jīng)過公式(4)將電壓V₁、V₂、V₃、V₄、V_L、V_R、V_C、V_S進(jìn)行計算才能得到。

第二個大模塊是模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，它的主要作用是將傳感器三個小模塊中輸出的功率直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，這個部分主要是由STM32微處理器及由AD620芯片組成的外圍電路所構(gòu)成，則根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(4)，可以反推出相應(yīng)的頻率f、相位Φ和功率P的大?。?/p>

然后是MCS51單片機部分，它的主要作用就是對各個電壓值進(jìn)行公式計算得到需要的頻率f、相位Φ和功率P的數(shù)值。

最后就是液晶顯示部分，它的主要作用就是將得到的數(shù)字信號直接進(jìn)行顯示輸出，得出待測信號的頻率f、相位Φ和功率P的讀數(shù)。

有益效果：在本發(fā)明中，為了將頻率檢測、相位檢測和功率檢測集成在一起，采用了簡單新穎的縫隙耦合結(jié)構(gòu)，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實現(xiàn)頻率和相位檢測，而大部分的信號能夠繼續(xù)在共面波導(dǎo)上傳播并進(jìn)行功率檢測，其中功分器和功合器采用的是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，這些結(jié)構(gòu)能非常有效的集成在一起，大大的提高了信號檢測的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器的總框圖

圖2為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的俯視圖

圖3為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的單刀雙擲開關(guān)的俯視圖

圖4為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的單刀雙擲開關(guān)AA’方向的剖面圖

圖5為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器的俯視圖

圖6為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的間接式熱電式功率傳感器的俯視圖

圖7為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的間接式熱電式功率傳感器的剖面圖

圖8為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器中模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路圖

圖中包括：高阻Si襯底1，SiO₂層2，共面波導(dǎo)傳輸線3，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-1，二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-2，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-3，四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-4，移相器5，頻率檢測模塊6，相位檢測模塊7，功率檢測模塊8，終端電阻9，P型半導(dǎo)體臂10，N型半導(dǎo)體臂11，歐姆接觸12，熱電堆13，輸出電極14，扇形缺陷結(jié)構(gòu)15，空氣橋16，襯底膜結(jié)構(gòu)17，熱端18，冷端19，一號單刀雙擲開關(guān)20，二號單刀雙擲開關(guān)21，錨區(qū)22，Si₃N₄介質(zhì)層23，開關(guān)下拉電極板24，開關(guān)梁25，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)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器部分是基于高阻Si襯底1制作的，是由共面波導(dǎo)傳輸線3、一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-1、二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-2、三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-3、四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-4、移相器5、一號單刀雙擲開關(guān)20、二號單刀雙擲開關(guān)21、一個T型結(jié)功分器、三個T型結(jié)功合器以及六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)傳輸線3、兩個扇形缺陷結(jié)構(gòu)15和三個空氣橋17構(gòu)成，扇形缺陷結(jié)構(gòu)15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17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)傳輸線3、兩個終端電阻9以及熱電堆13所構(gòu)成，而熱電堆13又是由P型半導(dǎo)體臂10和N型半導(dǎo)體臂11通過歐姆接觸12級聯(lián)組成，其中共面波導(dǎo)傳輸線3與兩個終端電阻9相連，而熱電堆13與終端電阻9之間有一段間隔；終端電阻吸收能量后發(fā)出的熱量就會被熱電堆的熱端吸收，熱電堆的熱端和冷端會因此產(chǎn)生溫差，根據(jù)seebeck效應(yīng)就能得到熱電勢的值，需要注意的是為了熱電堆更好的吸收熱能，在終端電阻和熱電堆下方會將襯底減薄，這樣熱能就不會從襯底耗散掉，從而提高了熱電轉(zhuǎn)換效率。

具體結(jié)構(gòu)方案如下：第一端口1-1是信號輸入端，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-1和二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-2位于共面波導(dǎo)傳輸線3上側(cè)地線，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-3和四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-4則位于共面波導(dǎo)傳輸線3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5隔開，首先來看頻率檢測模塊6，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-1連接到第二端口1-2，第二端口1-2與一號單刀雙擲開關(guān)20的輸入端相連，一號單刀雙擲開關(guān)20的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和一號間接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-2連接到第三端口1-3，第三端口1-3與二號單刀雙擲開關(guān)21的輸入端相連，二號單刀雙擲開關(guān)21的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和二號間接式熱電式功率傳感器，而一號T型結(jié)功合器的輸出端連接到三號間接式熱電式功率傳感器；再看相位檢測模塊7，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-3與第四端口1-4相連，第四端口1-4連接到二號T型結(jié)功合器，四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-4與第五端口1-5相連，第五端口1-5連接到三號T型結(jié)功合器，參考信號通過四號T型結(jié)功分器的輸入端輸入，四號T型結(jié)功分器的輸出端分別連接到二號T型結(jié)功合器和三號T型結(jié)功合器，然后，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，三號T型結(jié)功合器的輸出端連接五號間接式熱電式功率傳感器，最后是功率檢測模塊8，在第六端口1-6處連接著六號間接式熱電式功率傳感器。在每個間接式熱電式功率傳感器之后都連接著模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，然后將這些模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號都接入MCS51單片機進(jìn)行公式計算，最后通過液晶顯示屏顯示輸出頻率、相位和功率的數(shù)值大小。

本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的制備方法為：

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9的要求。

4)利用掩模版1對要制作熱電堆P型半導(dǎo)體臂10的地方再次進(jìn)行P型離子注入，達(dá)到P型半導(dǎo)體臂10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11的地方進(jìn)行N型離子注入，達(dá)到N型半導(dǎo)體臂11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9和熱電堆13的P型半導(dǎo)體臂10和N型半導(dǎo)體臂11；

7)在熱電堆的P型半導(dǎo)體臂10和N型半導(dǎo)體臂11連接處制作歐姆接觸12；

8)在襯底上涂覆光刻膠，去除傳輸線、輸出電極14和開關(guān)下拉電極板23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、輸出電極14和開關(guān)下拉電極板23；

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16和開關(guān)梁24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16和開關(guān)梁24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14以及空氣橋16和開關(guān)梁24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14、空氣橋16和開關(guān)梁24；

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)17地方的光刻膠，在終端負(fù)載電阻9和熱電堆13熱端下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結(jié)構(gòu)17，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16和開關(guān)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(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頻率和相位大??；功率分配器和功率合成器都采用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；至于功率檢測器，則采用間接式熱電式功率傳感器來實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，從而測得功率的大小。這些結(jié)構(gòu)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，實現(xiàn)了毫米波信號的頻率、相位以及功率實現(xiàn)一體化檢測，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。此外同時將模擬輸出信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換直接輸出在液晶屏幕上，構(gòu)成了一個完整的微波信號檢測儀器。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式T型結(jié)的間接式毫米波信號檢測儀器。