本發(fā)明提出了基于縫隙結(jié)構(gòu)的在線式微波相位檢測器，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在微波技術(shù)領(lǐng)域中，相位是表征微波信號的三大參數(shù)之一(頻率、相位和幅度)。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。當(dāng)前廣泛采用的微波相位檢測技術(shù)按原理可劃分為：二極管結(jié)構(gòu)、吉爾伯特乘法器結(jié)構(gòu)和矢量合成法。它們的優(yōu)點是精度高，寬頻帶，但是無法實現(xiàn)在線式檢測，并且結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，體積相對較大。

為了解決上述微波相位檢測器的問題，本發(fā)明在高阻硅襯底上設(shè)計了基于縫隙結(jié)構(gòu)的在線式微波相位檢測器。它利用了縫隙結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)相位檢測，結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)，同時提高了系統(tǒng)的集成度，能夠?qū)崿F(xiàn)在線式檢測，效率較高。

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基于縫隙結(jié)構(gòu)的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，在微波信號的功率檢測方面采用間接熱電式微波功率傳感器，在微波相位檢測方面采用矢量合成法，從而實現(xiàn)了在線式微波相位的檢測。

技術(shù)方案：本發(fā)明的基于縫隙結(jié)構(gòu)的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)傳輸線的信號線對稱的縫隙結(jié)構(gòu)、功合器以及兩個間接熱電式微波功率傳感器所構(gòu)成的。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)通過間接熱電式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號線連接間接熱電式微波功率傳感器1，共面波導(dǎo)傳輸線的信號線下側(cè)的縫隙結(jié)構(gòu)通過功合器的共面波導(dǎo)傳輸線的信號線連接功合器的輸入端，功合器的輸出端連接間接熱電式微波功率傳感器2。

將待測微波信號從待測微波信號輸入端口輸入，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)傳輸線的信號線兩側(cè)對稱的縫隙結(jié)構(gòu)能夠耦合出一小部分信號，這部分被耦合出的信號與該信號相位相同。上側(cè)縫隙結(jié)構(gòu)通過共面波導(dǎo)傳輸線的信號線將耦合信號傳輸?shù)介g接熱電式微波功率傳感器1上，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)耦合出的信號功率也是P₁。由功合器將功率為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)耦合出的信號進行功率矢量合成，合成后的信號利用間接熱電式微波功率傳感器2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。基于公式(1)最終可以推導(dǎo)出:

同時，由于縫隙結(jié)構(gòu)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)傳輸線向后傳播并進行后續(xù)的信號處理，從而實現(xiàn)了在線式微波相位的檢測。

有益效果：本發(fā)明是基于縫隙結(jié)構(gòu)的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)傳輸線上傳播并進行后續(xù)信號處理。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于縫隙結(jié)構(gòu)的在線式微波相位檢測器俯視圖；

圖2為圖1基于縫隙結(jié)構(gòu)的在線式微波相位檢測器的A-A’剖面圖；

圖3為圖1基于縫隙結(jié)構(gòu)的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和地線3，縫隙結(jié)構(gòu)4，縫隙結(jié)構(gòu)5，功合器的ACPS信號線6、隔離電阻7、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線8、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線9和第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線10，間接熱電式微波功率傳感器1的金屬熱偶臂11、半導(dǎo)體熱偶臂12、歐姆接觸區(qū)13、終端電阻14、直流輸出塊15和共面波導(dǎo)傳輸線的信號線16，間接熱電式微波功率傳感器2的金屬熱偶臂17、半導(dǎo)體熱偶臂18、歐姆接觸區(qū)19、終端電阻20和直流輸出塊21，SiO₂層22。在高阻硅襯底1上制備一層SiO₂層22，在SiO₂層22上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、縫隙結(jié)構(gòu)4、縫隙結(jié)構(gòu)5、功合器以及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)明的基于縫隙結(jié)構(gòu)的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、功合器以及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所構(gòu)成的，如附圖1所示。采用關(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耦合共面波導(dǎo)傳輸線上的微波信號，采用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檢測微波信號的功率，采用矢量合成法進行微波信號的相位檢測，將參考信號和該信號采用功合器合成后由余弦函數(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耦合的微波信號由間接熱電式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號線16傳輸向間接熱電式微波功率傳感器1，下側(cè)的縫隙結(jié)構(gòu)5由功合器的第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線8連接著功合器的一個輸入端，另一個輸入端通過第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線9連接至參考信號輸入端口，功合器的輸出端通過第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線10連接至間接熱電式微波功率傳感器2。

功合器由地線3、ACPS信號線6、隔離電阻7、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線8、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線9和第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線10構(gòu)成。間接熱電式微波功率傳感器1由共面波導(dǎo)傳輸線的信號線16、兩個終端電阻14、熱電堆1以及直流輸出塊15所構(gòu)成，熱電堆是由金屬熱偶臂11和半導(dǎo)體熱偶臂12通過歐姆接觸區(qū)13級聯(lián)組成。間接熱電式微波功率傳感器2由共面波導(dǎo)傳輸線、兩個終端電阻20、熱電堆以及直流輸出塊21所構(gòu)成，熱電堆2是由金屬熱偶臂17和半導(dǎo)體熱偶臂18通過歐姆接觸區(qū)19級聯(lián)組成。

本發(fā)明提供了一種基于縫隙結(jié)構(gòu)的在線式微波相位檢測器，待測微波信號從待測微波信號輸入端口輸入，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，這部分被耦合出的信號擁有與該信號相同的相位。上側(cè)縫隙結(jié)構(gòu)4將耦合出的信號由間接熱電式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號線16傳輸向間接熱電式微波功率傳感器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。由功合器將從參考信號輸入端口輸入的功率為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耦合出的信號進行功率矢量合成，合成后的信號利用間接熱電式微波功率傳感器2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)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)傳輸線向后傳播并進行后續(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)明的基于縫隙結(jié)構(gòu)的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)光刻并隔離外延的N⁺高阻硅，形成熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂的圖形和歐姆接觸區(qū)；

5)反刻N⁺高阻硅，形成其摻雜濃度為10¹⁷cm^-3的熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂；

6)光刻：去除將要保留金鍺鎳/金地方的光刻膠；

7)剝離，形成熱電堆的金屬熱偶臂；

8)光刻：去除將要保留氮化鉭地方的光刻膠；

9)濺射氮化鉭，其厚度為1μm；

10)剝離；

11)涂覆一層光刻膠，光刻去除共面波導(dǎo)傳輸線、ACPS信號線、熱電堆金屬互連線以及輸出電極處的光刻膠；

12)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，剝離形成共面波導(dǎo)傳輸線、ACPS信號線的第一層Au、熱電堆金屬互連線以及輸出電極；

13)涂覆光刻膠，光刻去除共面波導(dǎo)傳輸線、ACPS信號線以及輸出電極位置的光刻膠；

14)反刻氮化鉭，形成終端電阻；

15)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；

16)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成共面波導(dǎo)傳輸線、ACPS信號線和輸出電極；

17)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)；

18)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)；

19)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)傳輸線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信號來檢測待測微波信號的相位大小，從而實現(xiàn)了微波相位的在線式檢測；信號的功率檢測則采用間接熱電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，因此對該微波信號影響不大，該微波信號可以繼續(xù)在共面波導(dǎo)傳輸線上傳播并進行后續(xù)的信號處理。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的基于縫隙結(jié)構(gòu)的在線式微波相位檢測器。