本發(fā)明提出了硅基已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：

信號的檢測一直是信息科學技術中非常重要的一門技術，多年以來，人們對信號的檢測和處理技術也在得到不斷的發(fā)展與完善，經(jīng)過不斷的研究，可以確定一個信號的三大要素為頻率、功率和相位，因此簡單地說，對信號的檢測也就是對信號這三大要素的檢測。相位檢測器是信號檢測中最為重要的一部分，在軍事、通信以及航空航天領域有著很大的應用價值，現(xiàn)有的相位檢測器一般工作頻率都較低，無法對很高頻率的信號進行相位檢測，而且它們的結構都較為復雜，集成度不高，隨著信號頻率的不斷提高，毫米波信號的檢測也日益成為人們研究的重點，毫米波是一種介于微波和遠紅外波交疊區(qū)域的電磁波，原有的相位檢測器已經(jīng)無法實現(xiàn)對毫米波信號的有效檢測了。

為了能夠實現(xiàn)對毫米波信號的有效檢測，在共面波導傳輸線縫隙耦合結構、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已知頻率下的毫米波在線相位檢測器，它利用共面波導傳輸線縫隙耦合結構對毫米波的相位實現(xiàn)了在線式的檢測，大大地節(jié)約了版圖，同時還提高了檢測效率。

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已知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器，本發(fā)明采用了共面波導傳輸線縫隙耦合結構來對毫米波進行相位檢測，在功率分配和功率合成方面則采用了Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結構，在合成信號的功率測量方面則采用了直接式熱電式功率傳感器，實現(xiàn)了毫米波的在線相位檢測。

技術方案：本發(fā)明的硅基已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傳輸線、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、一個Wilkinson功分器、二個Wilkinson功合器以及四個間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傳輸線上側地線，三號縫隙耦合結構和四號縫隙耦合結構則位于共面波導傳輸線下側地線，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，一號縫隙耦合結構連接到第二端口，第二端口與一號間接式熱電式功率傳感器相連，同樣的，二號縫隙耦合結構連接到第三端口，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，三號縫隙耦合結構與第四端口相連，第四端口連接到一號Wilkinson功合器，四號縫隙耦合結構與第五端口相連，第五端口連接到二號Wilkinson功合器，參考信號通過三號Wilkinson功分器的輸入端輸入，三號Wilkinson功分器的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和二號Wilkinson功合器，然后，一號Wilkinson功合器的輸出端連接三號間接式熱電式功率傳感器，二號Wilkinson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構、一段移相器、兩個Wilkinson功合器、一個Wilkinson功分器以及兩個直接式熱電式功率傳感器所構成，毫米波信號首先經(jīng)過第一個縫隙耦合結構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構耦合出部分的信號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(shù)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(shù)關系；

結合這兩個關系式，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系。

有益效果：在本發(fā)明中，這種簡便的縫隙耦合結構能夠將原本在共面波導傳輸線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，實現(xiàn)了已知頻率下毫米波信號的在線式相位檢測，大大提高了信號檢測器的效率和集成度，具有較高的潛在應用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的硅基已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)明的硅基已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3為本發(fā)明的硅基已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4為本發(fā)明的硅基已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5為本發(fā)明的硅基已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：相位檢測模塊1，共面波導傳輸線2，移相器3，縫隙耦合結構4-1，縫隙耦合結構4-2，縫隙耦合結構4-3，縫隙耦合結構4-4，隔離電阻5，金屬臂6，P型半導體臂7，歐姆接觸8，熱端9，冷端10，隔直電容11，輸出電極12，隔直電容下極板13，Si₃N₄介質層14，隔直電容上極板15，非對稱共面帶線16，空氣橋17，高阻Si襯底18，SiO₂層19，襯底膜結構20，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)明的硅基已知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器是基于高阻Si襯底18制作的，是由共面波導傳輸線2、一號縫隙耦合結構4-1、二號縫隙耦合結構4-2、三號縫隙耦合結構4-3、四號縫隙耦合結構4-4、移相器3、一個Wilkinson功分器、二個Wilkinson功合器以及四個間接式熱電式功率傳感器所構成。

Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結構是相同的，主要由共面波導傳輸線2、非對稱共面帶線16和電阻5構成，其中兩條長度相同的非對稱共面帶線16能夠將共面波導傳輸線2上的毫米波信號分為相等的兩部分，而電阻5位于兩條非對稱共面帶線16的末端。

采用直接式熱電式功率傳感器來實現(xiàn)熱電轉換，它主要由共面波導傳輸線2、金屬臂6、P型半導體臂7以及一個隔直電容11構成，其中金屬臂6和P型半導體臂7構成的兩個熱電偶是并聯(lián)連接的，而共面波導傳輸線2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4-1和二號縫隙耦合結構4-2位于共面波導傳輸線2上側地線，三號縫隙耦合結構4-3和四號縫隙耦合結構4-4則位于共面波導傳輸線2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，一號縫隙耦合結構4-1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，二號縫隙耦合結構4-2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1，三號縫隙耦合結構4-3與第四端口1-4相連，第四端口1-4連接到一號Wilkinson功合器，四號縫隙耦合結構4-4與第五端口1-5相連，第五端口1-5連接到二號Wilkinson功合器，參考信號通過三號Wilkinson功分器的輸入端輸入，三號Wilkinson功分器的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和二號Wilkinson功合器，然后，一號Wilkinson功合器的輸出端連接三號間接式熱電式功率傳感器，二號Wilkinson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18(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長一層SiO₂層19，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5和熱電偶金屬臂6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7的地方再次進行P型離子注入，達到P型半導體臂7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5、熱電偶的金屬臂6和半導體臂7；

6)在熱電偶的金屬臂6和半導體臂7連接處制作歐姆接觸8；

7)在襯底上涂覆光刻膠，去除傳輸線、隔直電容11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、隔直電容的下極板13和輸出電極12；

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11和空氣橋17位置處的Si₃N₄介質層14；

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17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11、輸出電極12以及空氣橋17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、隔直電容的上極板15、輸出電極12以及空氣橋17；

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20地方的光刻膠，在熱電偶中間區(qū)域即熱端9下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結構20，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17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傳輸線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，從而實現(xiàn)了已知頻率下的毫米波相位檢測；功率分配器和功率合成器采用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)明的硅基已知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測器。