本發(fā)明提出了一種基于硅基懸臂梁T型結(jié)間接加熱在線式毫米波相位檢測器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在微波技術(shù)領(lǐng)域，相位是表征微波信號(hào)的一個(gè)重要的參數(shù)，微波信號(hào)相位檢測系統(tǒng)在相位調(diào)制器、相移鍵控(PSK)、微波定位、天線相位方向圖的測試和近場診斷等方面都有著極其廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)相位的在線式檢測是一個(gè)重要的課題，同終端式檢測相比，在線式檢測后的微波信號(hào)可以繼續(xù)輸入到下一級(jí)電路使用，避免了信號(hào)的浪費(fèi)。在線式檢測可通過耦合部分待測信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，對(duì)懸臂梁結(jié)構(gòu)有了比較深入的研究和認(rèn)識(shí)，使得本發(fā)明利用懸臂梁進(jìn)行微波信號(hào)耦合成為可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種基于硅基懸臂梁T型結(jié)間接加熱在線式毫米波相位檢測器，通過懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)耦合部分待測信號(hào)，間接式微波功率傳感器檢測微波功率大小，實(shí)現(xiàn)了毫米波相位的在線測試，具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于硅基懸臂梁T型結(jié)間接加熱在線式毫米波相位檢測器。該相位檢測器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)選擇高阻Si為襯底，傳輸線材料為Au，主要由懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)、T型結(jié)和間接加熱式微波功率傳感器構(gòu)成；懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，由CPW中央信號(hào)線、傳輸線地線、懸臂梁、懸臂梁錨區(qū)構(gòu)成，在懸臂梁的下方有一層Si₃N₄介電層；懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)的第三端口和第四端口分別與第一T型結(jié)的第八端口和第二T型結(jié)的第十一端口相連，待測信號(hào)從第三T型結(jié)的第五端口輸入，第三T型結(jié)的第六端口和第一T型結(jié)的第九端口相連，第七端口與第二T型結(jié)的第十二端口相連，第一T型結(jié)的第十端口接第一間接加熱式微波功率傳感器，第二T型結(jié)的第十三端口接第二間接加熱式微波功率傳感器。

T型結(jié)由CPW中央信號(hào)線、傳輸線地線以及空氣橋構(gòu)成，其中空氣橋用于地線之間的互連，為了方便空氣橋的釋放，在空氣橋上制作了一組小孔陣列。間接加熱式微波功率傳感器由CPW中央信號(hào)線、傳輸線地線、終端電阻、P型半導(dǎo)體臂、N型半導(dǎo)體臂、熱電堆金屬互連線、輸出Pad構(gòu)成。在終端電阻和熱電堆的下方，高阻硅襯底被刻蝕，形成SiO₂薄膜結(jié)構(gòu)，用于增大熱電堆的輸出靈敏度。

待測毫米波信號(hào)從懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)的第一端口輸入，從第二端口輸出；兩個(gè)懸臂梁耦合的微波信號(hào)幅度相等，相位相差45度，分別同參考信號(hào)等分后的兩路信號(hào)合成，通過檢測兩路合成信號(hào)的功率大小，聯(lián)立方程可以求解待測微波信號(hào)的相位，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)周期范圍內(nèi)相位角的測量。

有益效果：本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有的相位檢測器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明的相位檢測器采用懸臂梁耦合方式，能夠?qū)崿F(xiàn)在線式的相位檢測，待測信號(hào)經(jīng)過檢測后可以繼續(xù)輸出到下一級(jí)使用；

2.原理和結(jié)構(gòu)簡單，版圖面積較小，全部由無源器件組成因而不存在直流功耗；

3.本發(fā)明的相位檢測由于采用間接加熱式微波功率傳感器實(shí)現(xiàn)耦合功率測量，線性度好，動(dòng)態(tài)范圍大。

4.兼容COMS工藝線，適合批量生產(chǎn)，成本低、可靠性高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于硅基懸臂梁T型結(jié)間接加熱在線式毫米波相位檢測器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的俯視圖

圖2為本發(fā)明懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)的A-A’向的剖面圖；

圖3為本發(fā)明T型結(jié)的俯視圖；

圖4為本發(fā)明間接加熱式微波功率傳感器的俯視圖；

圖5為本發(fā)明間接加熱式微波功率傳感器的B-B’向的剖面圖；

圖中包括：高阻硅襯底1，SiO₂層2，CPW中央信號(hào)線3，傳輸線地線4，懸臂梁5，懸臂梁錨區(qū)6，空氣橋7，終端電阻8，P型半導(dǎo)體臂9，N型半導(dǎo)體臂10，熱電堆金屬互連線11，輸出Pad12，Si₃N₄介電層13，懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)14，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2-1，第六端口2-2，第七端口2-3，第八端口3-1，第九端口3-2，第十端口3-3，第十一端口4-1，第十二端口4-2，第十三端口4-3。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步說明。

參見圖1-5，本發(fā)明提出了一種基于硅基懸臂梁T型結(jié)間接加熱在線式毫米波相位檢測器。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)主要包括：懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)14、T型結(jié)、間接加熱式微波功率傳感器。其中，懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)14用于耦合待測信號(hào)的部分功率，用于相位檢測；T型結(jié)為三端口器件，可用于功率分配和功率合成，無需隔離電阻；間接加熱式微波功率傳感器用于檢測微波信號(hào)的功率，原理是基于焦耳效應(yīng)和塞貝克(Seebeck)效應(yīng)。

懸臂梁耦合結(jié)構(gòu)14由CPW中央信號(hào)線3、傳輸線地線4、懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6構(gòu)成。兩個(gè)懸臂梁5懸于CPW中央信號(hào)線3上方，中間隔有Si₃N₄介質(zhì)層13和空氣，等效一個(gè)雙介質(zhì)層的MIM電容，懸臂梁5末端通過懸臂梁錨區(qū)6同耦合分支的CPW中央信號(hào)線3相連。兩個(gè)懸臂梁之間的CPW傳輸線電長度在所測信號(hào)頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz為λ/8。通過調(diào)整懸臂梁5附近的傳輸線地線4的形狀，改變CPW傳輸線的阻抗，用于補(bǔ)償懸臂梁5的引入帶來的電容變化。

T型結(jié)由CPW中央信號(hào)線3、傳輸線地線4以及空氣橋7構(gòu)成，其中空氣橋用于地線之間的互連，為了方便空氣橋的釋放，在空氣橋上制作了一組小孔陣列。

間接加熱式微波功率傳感器由CPW中央信號(hào)線3、傳輸線地線4、終端電阻8、P型半導(dǎo)體臂9、N型半導(dǎo)體臂10、熱電堆金屬互連線11、輸出Pad12構(gòu)成。在終端電阻8和熱電堆的下方，高阻硅襯底1被刻蝕，形成SiO₂薄膜結(jié)構(gòu)，用于增大熱電堆的輸出靈敏度。微波信號(hào)通過CPW傳輸?shù)浇K端電阻8耗散為熱，在薄膜上形成一定的溫度分布，由于熱電堆的冷熱兩端存在一定的溫度差，基于Seebeck效應(yīng)輸出正比于溫度差的熱電勢。

當(dāng)從第一端口1-1輸入一定功率的毫米波信號(hào)時(shí)，待測信號(hào)經(jīng)過CPW傳輸線，由第二端口1-2進(jìn)入下一級(jí)。位于CPW中央信號(hào)線3上方的懸臂梁5會(huì)耦合部分毫米波信號(hào)，并輸入到T型結(jié)，與功率等分后的參考信號(hào)進(jìn)行合成，合成信號(hào)的功率大小由間接加熱式微波功率傳感器進(jìn)行檢測。由于兩個(gè)懸臂梁5結(jié)構(gòu)完全相同，且間隔的CPW傳輸線電長度在所測信號(hào)頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz為λ/8，兩路耦合信號(hào)可分別表示為：

其中a₁和a₂分別為兩路耦合信號(hào)的幅度，ω為輸入信號(hào)的角頻率，為初始相位。

功率等分后的參考信號(hào)可以表示為：

v₃＝a₂cos(ωt+φ) (3)

由于參考信號(hào)已知，所以a₂、φ已知。合成信號(hào)的功率大小分別為：

P₁和P₂的大小由終端的微波功率傳感器進(jìn)行檢測，因?yàn)?4)和(5)式中只存在a₁和兩個(gè)未知量，所以可以根據(jù)(4)和(5)聯(lián)立方程組求得這兩個(gè)未知量，即可由間接加熱式微波功率傳感器的輸出熱電勢可以得到待測毫米波信號(hào)的相位，并可實(shí)現(xiàn)整個(gè)周期范圍內(nèi)相位角的測量。

本發(fā)明的基于硅基懸臂梁T型結(jié)間接加熱在線式毫米波相位檢測器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的制備方法如下：

1)準(zhǔn)備4英寸高阻硅襯底1，電導(dǎo)率為4000Ωcm，厚度為400μm；

2)熱生長一層SiO₂層2，厚度為1.2μm；

3)化學(xué)氣相淀積(CVD)生長一層多晶硅，厚度為0.4μm；

4)涂覆一層光刻膠并光刻，除多晶硅電阻區(qū)域暴露以外，其他區(qū)域被光刻膠保護(hù)，接著注入磷(P)離子，摻雜濃度為10¹⁵cm^-2，形成終端電阻8；

5)涂覆一層光刻膠，用P⁺光刻板進(jìn)行光刻，除P型半導(dǎo)體臂區(qū)域暴露以外，其他區(qū)域被光刻膠保護(hù)，接著注入硼(B)離子，摻雜濃度為10¹⁶cm^-2，形成熱電偶的P型半導(dǎo)體臂9；

6)涂覆一層光刻膠，用N⁺光刻板進(jìn)行光刻，除N型半導(dǎo)體臂區(qū)域暴露以外，其他區(qū)域被光刻膠保護(hù)，接著注入磷(P)離子，摻雜濃度為10¹⁶cm^-2，形成熱電偶的N型半導(dǎo)體臂10；

7)涂覆一層光刻膠，光刻熱電堆臂和多晶硅電阻圖形，再通過干法刻蝕形成熱電偶臂和多晶硅電阻；

8)涂覆一層光刻膠，光刻去除傳輸線、熱電堆金屬互連線11以及輸出Pad12處的光刻膠；

9)電子束蒸發(fā)形成第一層金(Au)，厚度為0.3μm，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、熱電堆金屬互連線11以及輸出Pad12；

10)LPCVD淀積一層Si₃N₄，厚度為0.1μm；

11)涂覆一層光刻膠，光刻并保留懸臂梁5下方的光刻膠，干法刻蝕Si₃N₄，形成Si₃N₄介電層13；

12)均勻涂覆一層聚酰亞胺并光刻圖形，厚度為2μm，保留懸臂梁5下方的聚酰亞胺作為犧牲層；

13)涂覆光刻膠，光刻去除懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6、傳輸線以及輸出Pad12位置的光刻膠；

14)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2μm的Au層；

15)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成懸臂梁5、懸臂梁錨區(qū)6、傳輸線和輸出Pad12；

16)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)；

17)釋放聚酰亞胺犧牲層：顯影液浸泡，去除懸臂梁5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。

區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下：

本發(fā)明的基于硅基懸臂梁T型結(jié)間接加熱在線式毫米波相位檢測器，結(jié)構(gòu)襯底為高阻硅。待測毫米波信號(hào)由第一端口1-1輸入，從第二端口1-2輸出，位于CPW中央信號(hào)線3上方的兩個(gè)懸臂梁5耦合部分待測微波信號(hào)進(jìn)行相位檢測，兩個(gè)懸臂梁5之間CPW傳輸線的電長度在所測信號(hào)頻率范圍內(nèi)的中心頻率35GHz處為λ/8，通過錨區(qū)和CPW傳輸線連接到T型結(jié)，兩路耦合信號(hào)分別與等分后的參考信號(hào)通過T型結(jié)進(jìn)行合成，參考信號(hào)由T型結(jié)進(jìn)行等分，合成后的微波功率大小由間接加熱式微波功率傳感器檢測。根據(jù)兩個(gè)間接加熱式微波功率傳感器的熱電勢輸出，可以求得待測信號(hào)的相位。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的基于硅基懸臂梁T型結(jié)間接加熱在線式毫米波相位檢測器。