本發(fā)明提出了T形結(jié)縫隙耦合在線式微波相位檢測器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在微波領(lǐng)域中，微波信號相位測量占有十分重要的地位。微波相位檢測器廣泛應(yīng)用于個人通信、軍事國防和科學(xué)研究等方面。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、電流在同一時刻振幅各不相同，而且同一位置處的電壓、電流在不同時刻也各不相同。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重要的測量參數(shù)。本發(fā)明即是基于Si工藝設(shè)計一種T形結(jié)縫隙耦合在線式微波相位檢測器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提出一種T形結(jié)縫隙耦合在線式微波相位檢測器，本發(fā)明采用了縫隙結(jié)構(gòu)耦合微波信號，在功率合成方面采用T形結(jié)，在微波信號的功率檢測方面采用直接加熱式微波功率傳感器，在微波相位檢測方面采用矢量合成法，從而實現(xiàn)了在線式微波相位檢測。

技術(shù)方案：本發(fā)明的T形結(jié)縫隙耦合在線式微波相位檢測器，微波相位檢測器由共面波導(dǎo)傳輸線、兩個關(guān)于共面波導(dǎo)傳輸線的信號線對稱的縫隙結(jié)構(gòu)、T形結(jié)以及兩個直接加熱式微波功率傳感器所構(gòu)成，如附圖1所示。微波的相位檢測采用的是矢量合成法，將參考信號和待測信號通過T形結(jié)合成后由余弦函數(shù)式計算出微波信號的相位。

共面波導(dǎo)傳輸線由共面波導(dǎo)傳輸線的信號線和地線構(gòu)成，共面波導(dǎo)傳輸線的信號線上側(cè)的縫隙結(jié)構(gòu)通過直接加熱式微波功率傳感器的共面波導(dǎo)傳輸線的信號線連接直接加熱式微波功率傳感器1，下側(cè)的縫隙結(jié)構(gòu)通過T形結(jié)的第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線連接T形結(jié)的一個輸入端，另一個輸入端通過T形結(jié)的第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線連接參考信號輸入端口，T形結(jié)的輸出端口通過T形結(jié)的第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線連接直接加熱式微波功率傳感器2。

T形結(jié)包括第一空氣橋、第二空氣橋、第三空氣橋、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線、第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線，為三端口器件，可用于功率合成，無需隔離電阻，其中第一空氣橋、第二空氣橋、第三空氣橋用于共面波導(dǎo)傳輸線的地線之間的互連，同時為了方便這三個空氣橋的釋放，在其上制作了一組小孔陣列。

直接加熱式微波功率傳感器包括半導(dǎo)體熱偶臂、終端電阻、直流輸出塊、隔絕直流電容、共面波導(dǎo)傳輸線的信號線，其作用主要是基于塞貝克效應(yīng)來檢測待測微波信息的功率大小。

有益效果：本發(fā)明是T形結(jié)縫隙耦合在線式微波相位檢測器，微波相位檢測器采用了縫隙結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能將小部分的微波信號耦合出來，并利用這部分耦合信號來實現(xiàn)微波相位的在線式檢測，而大部分的信號能夠繼續(xù)在共面波導(dǎo)上傳播并進(jìn)行后續(xù)信號處理。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的T形結(jié)縫隙耦合在線式微波相位檢測器俯視圖；

圖2為圖1 T形結(jié)縫隙耦合在線式微波相位檢測器的A-A’剖面圖；

圖3為圖1 T形結(jié)縫隙耦合在線式微波相位檢測器的B-B’剖面圖；

圖中包括：高阻硅襯底1，共面波導(dǎo)傳輸線的信號線2、地線3，縫隙結(jié)構(gòu)4，縫隙結(jié)構(gòu)5，直接加熱式微波功率傳感器1的半導(dǎo)體熱偶臂6、終端電阻7、直流輸出塊8、隔絕直流電容9、共面波導(dǎo)傳輸線的信號線10，T形結(jié)的第一空氣橋11、第二空氣橋12、第三空氣橋13、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線14、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線15、第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線16，直接加熱式微波功率傳感器2的半導(dǎo)體熱偶臂17終端電阻18、直流輸出塊19、隔絕直流電容20，SiO₂層21。在高阻硅襯底1上制備一層SiO₂層21，在SiO₂層21上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、縫隙結(jié)構(gòu)4和縫隙結(jié)構(gòu)5、間接熱電式微波功率傳感器1和間接熱電式微波功率傳感器2。

具體實施方式

本發(fā)明的T形結(jié)縫隙耦合在線式微波相位檢測器是由共面波導(dǎo)傳輸線、兩個關(guān)于共面波導(dǎo)傳輸線的信號線2對稱的縫隙結(jié)構(gòu)4和縫隙結(jié)構(gòu)5、T形結(jié)以及兩個直接加熱式微波功率傳感器所構(gòu)成的，如附圖1所示。采用直接加熱式微波功率傳感器檢測微波信號的功率，采用矢量合成法進(jìn)行微波信號的相位檢測，將參考信號和待測信號采用T形結(jié)合成后由余弦函數(shù)式計算出待測微波信號的相位。

共面波導(dǎo)傳輸線由共面波導(dǎo)傳輸線的信號線2和地線3構(gòu)成，在共面波導(dǎo)傳輸線的信號線2兩側(cè)對稱分別設(shè)有一個縫隙結(jié)構(gòu)4和縫隙結(jié)構(gòu)5，上側(cè)的縫隙結(jié)構(gòu)4通過直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號線10連接直接加熱式微波功率傳感器。下側(cè)的縫隙結(jié)構(gòu)5通過T形結(jié)的第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線14連接T形結(jié)的一個輸入端，另一個輸入端通過T形結(jié)的第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線15連接參考信號輸入端口，T形結(jié)的輸出端通過T形結(jié)的共面波導(dǎo)傳輸線的信號線16連接直接加熱式微波功率傳感器2。

T形結(jié)包括第一空氣橋11、第二空氣橋12、第三空氣橋13、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線14、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線15、第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線16，為三端口器件，可用于功率合成，無需隔離電阻，其中第一空氣橋11、第二空氣橋12、第三空氣橋13用于共面波導(dǎo)傳輸線的地線3之間的互連，同時為了方便這三個空氣橋的釋放，在其上制作了一組小孔陣列。

直接加熱式微波功率傳感器1包括半導(dǎo)體熱偶臂6、終端電阻7、直流輸出塊8、隔絕直流電容9、共面波導(dǎo)傳輸線的信號線10；直接加熱式微波功率傳感器2包括半導(dǎo)體熱偶臂17終端電阻18、直流輸出塊19、隔絕直流電容20。

直接加熱式微波功率傳感器的基本工作原理是基于塞貝克效應(yīng)，所謂塞貝克效應(yīng)就是由A、B兩種不同的導(dǎo)體一端緊密地連在一起，當(dāng)兩接點溫度不等(T>T₀，T和T₀分別為熱端和冷端的溫度)時，在另一端兩點處就會產(chǎn)生電勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象又稱為熱電效應(yīng)，該電動勢稱為熱電勢。

本發(fā)明提出了一種T形結(jié)縫隙耦合在線式微波相位檢測器，當(dāng)待測微波信號在共面波導(dǎo)傳輸線上傳輸時，共面波導(dǎo)傳輸線的信號線2兩側(cè)對稱的縫隙結(jié)構(gòu)4和縫隙結(jié)構(gòu)5能夠耦合出小部分信號，這部分被耦合出的小信號擁有與待測信號相同的相位。上側(cè)縫隙結(jié)構(gòu)4將耦合出的信號由直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號線10傳輸向直接加熱式微波功率傳感器1，基于塞貝克效應(yīng)以直流輸出電壓V₁的形式輸出檢測結(jié)果，可推算出該耦合信號的功率P₁。由對稱性可知，下側(cè)的縫隙結(jié)構(gòu)5耦合出的信號功率也是P₁。由T形結(jié)將功率為P₂、對應(yīng)直流輸入電壓為V₂的參考信號和功率為P₁、對應(yīng)直流輸出電壓為V₁的下側(cè)縫隙結(jié)構(gòu)5耦合出的信號進(jìn)行功率矢量合成，合成后的信號利用直接加熱式微波功率傳感器檢測得到直流輸出電壓V₃，可推算出該合成功率為P₃。它們之間滿足關(guān)于的余弦函數(shù)式：

其中是待測信號和參考信號的相位差?；诠?1)最終可以推導(dǎo)出:

同時，由于縫隙結(jié)構(gòu)4和縫隙結(jié)構(gòu)5耦合出來的信號功率很小，大部分的信號能夠繼續(xù)通過共面波導(dǎo)向后傳播并進(jìn)行后續(xù)的信號處理，從而實現(xiàn)了在線式微波相位的檢測。

本發(fā)明的T形結(jié)縫隙耦合在線式微波相位檢測器的制備方法為：

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

2)熱生長一層厚度為1.2mm的SiO₂層；

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，再通過干法刻蝕形成終端電阻；

6)涂覆一層光刻膠，光刻去除共面波導(dǎo)傳輸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，剝離形成傳輸線的第一層Au、隔絕直流電容下極板，以及輸出電極；

8)涂覆一層光刻膠，光刻并保留隔絕直流電容；

9)均勻涂覆一層聚酰亞胺并光刻圖形，厚度為2mm，保留空氣橋下方的聚酰亞胺作為犧牲層；

10)涂覆光刻膠，光刻去除空氣橋、共面波導(dǎo)傳輸線以及輸出電極位置的光刻膠；

11)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；

12)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成空氣橋、共面波導(dǎo)傳輸線和輸出電極；

13)深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)共面波導(dǎo)傳輸線，制作縫隙結(jié)構(gòu)；

14)深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作熱電堆下方的薄膜結(jié)構(gòu)；

15)釋放聚酰亞胺犧牲層：顯影液浸泡，去除空氣橋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)明的不同之處在于：

本發(fā)明采用了縫隙結(jié)構(gòu)，這種縫隙結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒃诠裁娌▽?dǎo)中傳播的微波信號耦合出一小部分，并利用這部分耦合出的小信號來檢測待測微波信號的相位大小，從而實現(xiàn)微波相位的在線式檢測；對功率的合成采用T形結(jié)，對合成信號功率的檢測采用直接加熱式微波功率傳感器來實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。另外由于耦合出的信號功率和待測信號相比非常小，因此對待測微波信號影響不大，該微波信號可以繼續(xù)在共面波導(dǎo)上傳播并進(jìn)行后續(xù)的信號處理。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的T形結(jié)縫隙耦合在線式微波相位檢測器。