本發(fā)明提出了T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)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)：

現(xiàn)代社會(huì)中，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，特別是在相控陣?yán)走_(dá)、相控陣天線(xiàn)及加速器等較新技術(shù)出現(xiàn)以后，相移量的測(cè)量顯得日趨重要。現(xiàn)有的相位檢測(cè)方法有以下幾種：利用二極管檢波，利用乘法器結(jié)構(gòu)和利用矢量運(yùn)算法實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)，以上方法的缺點(diǎn)是都需要相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代個(gè)人通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)要求微波相位檢測(cè)器具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，小的體積以及小的功耗。MEMS系統(tǒng)具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的目的正是要提出一種基于技術(shù)的在線(xiàn)式微波信號(hào)相位檢測(cè)器的實(shí)現(xiàn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是提出一種T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)器，本發(fā)明在微波信號(hào)耦合方面采用固支梁耦合微波信號(hào)，在微波信號(hào)的功率檢測(cè)方面采用直接加熱式微波功率傳感器，在微波相位檢測(cè)方面采用矢量合成法，從而實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)式微波相位的檢測(cè)。

本發(fā)明的技術(shù)方案：T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)器，在高阻硅襯底上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)、固支梁結(jié)構(gòu)、T形結(jié)以及兩個(gè)直接加熱式微波功率傳感器，共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)由共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)和地線(xiàn)構(gòu)成，固支梁結(jié)構(gòu)包括固支梁和兩側(cè)的兩個(gè)錨區(qū)，待測(cè)微波信號(hào)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)，固支梁結(jié)構(gòu)懸于共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)上的絕緣介質(zhì)層上方，固支梁結(jié)構(gòu)的上側(cè)錨區(qū)通過(guò)直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)連接直接加熱式微波功率傳感器1，下側(cè)錨區(qū)通過(guò)T形結(jié)的第一共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)連接T形結(jié)的一個(gè)輸入端口，另一個(gè)輸入端口通過(guò)T形結(jié)的第二共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)連接到參考信號(hào)輸入端口，T形結(jié)的輸出端通過(guò)T形結(jié)的第三共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)連接直接加熱式微波功率傳感器2。

T形結(jié)由共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)、地線(xiàn)以及空氣橋構(gòu)成，為三端口器件，可用于功率合成，無(wú)需隔離電阻，其中空氣橋用于地線(xiàn)之間的互連，為了方便空氣橋的釋放，在空氣橋上制作了一組小孔陣列。

直接加熱式微波功率傳感器由半導(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(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)構(gòu)成，其作用是基于塞貝克效應(yīng)對(duì)微波功率的大小進(jìn)行檢測(cè)，并以直流電壓的形式輸出檢測(cè)結(jié)果。

本發(fā)明提供了一種T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)器，位于共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)上方的固支梁在線(xiàn)耦合出部分微波信號(hào)，固支梁結(jié)構(gòu)的上端錨區(qū)連接直接加熱式微波功率傳感器檢測(cè)功率大小，下端錨區(qū)將耦合信號(hào)輸入T形結(jié)與參考信號(hào)進(jìn)行矢量合成。根據(jù)直接加熱式微波功率傳感器直流輸出電壓的大小，推斷出待測(cè)信號(hào)的相位。本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)器，不但具有易于測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微波信號(hào)相位的在線(xiàn)式檢測(cè)，易于集成以及與高阻硅單片微波集成電路兼容的優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，由于固支梁耦合出來(lái)的信號(hào)功率很小，大部分的信號(hào)能夠繼續(xù)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)向后傳播并進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)式微波相位的檢測(cè)。

有益效果：本發(fā)明是T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)器，采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的固支梁耦合微波信號(hào)，并利用這部分耦合小信號(hào)實(shí)現(xiàn)微波相位的在線(xiàn)式檢測(cè)，而大部分的信號(hào)能夠繼續(xù)在共面波導(dǎo)上傳播并進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)器俯視圖；

圖2為圖1 T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)器的A-A’剖面圖；

圖3為圖1 T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)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(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)2和地線(xiàn)3，固支梁結(jié)構(gòu)的固支梁4，第一錨區(qū)5和第二錨區(qū)6，絕緣介質(zhì)層7，直接加熱式微波功率傳感器1的半導(dǎo)體熱偶臂8、終端電阻9、直流輸出塊10、隔絕直流電容11和共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)12，T形結(jié)的第一空氣橋13、第二空氣橋14、第三空氣橋15、第一共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)16、第二共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)17和第三共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)18，直接加熱式微波功率傳感器2的半導(dǎo)體熱偶臂19、終端電阻20、直流輸出塊21和隔絕直流電容22，SiO₂層23。在高阻硅襯底1上制備一次SiO₂層23，在SiO₂層23上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)、固支梁結(jié)構(gòu)、T形結(jié)以及直接加熱式微波功率傳感器1和直接加熱式微波功率傳感器2。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)器制作在高阻硅襯底1上，在高阻硅襯底上制備有一層SiO₂層23，在SiO₂層23上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)、固支梁結(jié)構(gòu)、T形結(jié)以及直接加熱式微波功率傳感器1和直接加熱式微波功率傳感器2。共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)作為本發(fā)明相位檢測(cè)器的信號(hào)傳輸線(xiàn)，用于待測(cè)微波信號(hào)的傳輸，共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)由共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)2和地線(xiàn)3構(gòu)成。

固支梁結(jié)構(gòu)懸于共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)2上的絕緣介質(zhì)層7的上方，固支梁結(jié)構(gòu)的第一錨區(qū)5通過(guò)直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)12連接直接加熱式微波功率傳感器1，第二錨區(qū)6通過(guò)T形結(jié)的第一共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)16連接T形結(jié)的一個(gè)輸入端口，另一個(gè)輸入端口通過(guò)T形結(jié)的第二共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)17連接到參考信號(hào)輸入端口，T形結(jié)的輸出端通過(guò)T形結(jié)的第三共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)18連接直接加熱式微波功率傳感器2。

T形結(jié)由第一空氣橋13、第二空氣橋14、第三空氣橋15、第一共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)16、第二共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)17、第三共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)18構(gòu)成，為三端口器件，可用于功率合成，無(wú)需隔離電阻，其中第一空氣橋13、第二空氣橋14、第三空氣橋15用于共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的地線(xiàn)3之間的互連，同時(shí)為了方便這三個(gè)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8、終端電阻9、直流輸出塊10、隔絕直流電容11、共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)12；所述的直接加熱式微波功率傳感器2包括半導(dǎo)體熱偶臂19、終端電阻20、直流輸出塊21、隔絕直流電容22。直接加熱式微波功率傳感器基于塞貝克原理檢測(cè)微波信號(hào)的功率大小，并以一直流電壓的形式輸出檢測(cè)結(jié)果。

本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)器的具體實(shí)施方案如下：

如圖1，高阻硅襯底1，共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)2和地線(xiàn)3，固支梁結(jié)構(gòu)的固支梁4，第一錨區(qū)5和第二錨區(qū)6，絕緣介質(zhì)層7，直接加熱式微波功率傳感器1的半導(dǎo)體熱偶臂8、終端電阻9、直流輸出塊10、隔絕直流電容11和共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)12，T形結(jié)的第一空氣橋13、第二空氣橋14、第三空氣橋15、第一共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)16、第二共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)17和第三共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)18，直接加熱式微波功率傳感器2的半導(dǎo)體熱偶臂19、終端電阻20、直流輸出塊21和隔絕直流電容22，SiO2層23。在高阻硅襯底1上制備一次SiO2層23，在SiO2層23上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)、固支梁結(jié)構(gòu)、T形結(jié)以及直接加熱式微波功率傳感器1和直接加熱式微波功率傳感器2。

固支梁結(jié)構(gòu)位于共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)2上的絕緣介質(zhì)層7的上方。當(dāng)待測(cè)微波信號(hào)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)時(shí)，固支梁耦合出小部分微波信號(hào)，并且分別由固支梁結(jié)構(gòu)的第一錨區(qū)5和第二錨區(qū)6輸出。第一錨區(qū)5通過(guò)直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)12將耦合微波信號(hào)輸向直接加熱式微波功率傳感器，并檢測(cè)出其功率P₁；第二錨區(qū)6通過(guò)T形結(jié)的第一共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)16將耦合微波信號(hào)輸向T形結(jié)的一個(gè)輸入端，其通過(guò)T形結(jié)與從待測(cè)信號(hào)輸入端口輸入的功率為P₂的參考信號(hào)矢量合成，合成后的信號(hào)通過(guò)T形結(jié)的第三共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)18傳輸向直接加熱式微波功率傳感器2，并檢測(cè)得功率為P₃。記待測(cè)微波信號(hào)和參考信號(hào)的相位差為則經(jīng)T形結(jié)輸出的合成信號(hào)的功率P₃與相位差存在余弦函數(shù)關(guān)系：

基于公式(1)最終可以推導(dǎo)出:

同時(shí)，由于固支梁耦合出來(lái)的信號(hào)功率很小，大部分的信號(hào)能夠繼續(xù)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)向后傳播并進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)式微波相位的檢測(cè)。

本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)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(zhǎng)一層厚度為1.2mm的SiO₂層；

3)化學(xué)氣相淀積(CVD)生長(zhǎng)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(guò)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(xiàn)以及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(xiàn)的第一層Au、隔絕直流電容下極板，以及輸出電極；

8)淀積(LPCVD)一層Si₃N₄，厚度為0.1mm；

9)涂覆一層光刻膠，光刻并保留空氣橋、隔絕直流電容和固支梁下方的光刻膠，干法刻蝕Si₃N₄，形成Si₃N₄介質(zhì)層；

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

11)涂覆光刻膠，光刻去除空氣橋、固支梁、固支梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)、共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)隔絕直流電容以及輸出電極位置的光刻膠；

12)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；

13)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成空氣橋、固支梁、錨區(qū)、共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)、隔絕直流電容上極板和輸出電極；

14)深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作半導(dǎo)體熱偶臂下方的薄膜結(jié)構(gòu)；

15)釋放聚酰亞胺犧牲層：顯影液浸泡，去除空氣橋、固支梁下的聚酰亞胺犧牲層，去離子水稍稍浸泡，無(wú)水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干。

區(qū)別是否為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下：

本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)器采用固支梁耦合微波信號(hào)，具有兩個(gè)直接加熱式微波功率傳感器和一個(gè)T形結(jié)。當(dāng)待測(cè)微波信號(hào)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)時(shí)，固支梁耦合出小部分微波信號(hào)，并且分別由固支梁結(jié)構(gòu)的兩端錨區(qū)輸出。一端錨區(qū)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)將耦合微波信號(hào)輸向直接加熱式微波功率傳感器；另一端通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)的信號(hào)線(xiàn)將耦合微波信號(hào)輸向T形結(jié)，其通過(guò)T形結(jié)與參考信號(hào)矢量合成。合成信號(hào)的功率與參考信號(hào)的相位差存在余弦函數(shù)關(guān)系。最終利用矢量合成原理來(lái)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)相位的在線(xiàn)式檢測(cè)。

滿(mǎn)足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線(xiàn)式微波相位檢測(cè)器。