专利名称：基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器及制备方法
技术领域：
本发明提出了一种基于悬臂梁的通过式微波功率检测器及其制备方法，属于 微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术：
微波功率是表征微波信号特性的重要参数之一，如标定微波发射机的输出功率、 测量微波接收机的灵敏度以及确定放大器的增益等参数，都离不开微波功率的测量。 在直流和低频段，电信号的功率可由测量它的电压、电流得到，但是到了射频/微波 频段，信号以波的形式存在，电压、电流已经失去了意义，信号功率的测量都是经 过其他间接方法得到的。总的看来，这些用来测量微波信号功率的方法的思路都是 使用一种器件(即微波功率传感器)把微波功率转化为可方便测量的低频信号，通 过测量此低频信号的某些参量来得到待测微波信号的功率。微电子机械系统(MEMS)技术的飞速发展使得MEMS微波功率传感器的出现成为 可能，其原理是终端电阻吸收待测的微波功率并将其转化为焦耳热，从而在热电 堆两端产生温差，热电堆的输出端便会输出基于塞贝克效应而产生的热电势，用该 热电势表征输入的微波功率。在该功率传感器的前端制作了微波功率耦合器，使得 微波功率通过式检测成为可能。与传统的功率计相比较，基于MEMS技术的微波功率 传感器具有许多独特的优点，如体积小、结构简单、损耗小、灵敏度高、与硅(Si) 工艺或砷化镓(GaAs)工艺相兼容等，本发明即为基于此工作原理的检测器。发明内容技术问题本发明的目的是提供一种基于MEMS技术悬臂梁通过式微波功率 检测器及其制备方法。利用多层材料梁释放后存在的残余应力，使梁产生向上弯 曲，从而在不检测时获得极低的插入损耗。通过改变悬臂梁的长度以及宽度，就 可以改变微波功率耦合器的耦合度；将终端电阻制作成半环状，将热电堆的热端嵌入其中，进一步提高传热效率。该微波功率检测器实现了微波功率的通过式检 测。技术方案本发明提出的基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器以砷 化镓为衬底，在砷化镓衬底上设一层铝镓砷薄膜，在铝镓砷薄膜的上表面设有基 于悬臂梁结构的微波功率耦合器和微波功率传感器。微波功率耦合器包括第一 CPW 地线、中心信号线、介质层、下拉电极、悬臂梁、悬臂梁锚区，铬金属层；其中， 第一 CPW地线、中心信号线、下拉电极顺序并排排列，中心信号线、下拉电极上表 面的中部设有介质层，悬臂梁固定在中心信号线上的悬臂梁锚区处，在悬臂梁的上 表面设有铬金属层，悬臂梁的活动端位于介质层的上方。微波功率传感器包括第二 CPW地线、中心信号线、终端电阻、热电堆、压焊块、金属散热片；其中，中心信号 线横向位于中间，中心信号线通过终端电阻分别与两侧的第二 CPW地线连接，热电 堆位于终端电阻与金属散热片之间。基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器的制备方法为步骤l.准备砷化镓衬底，使用未掺杂的砷化镓，厚度为500ym;步骤2.外延生长铝镓砷薄膜，用作腐蚀自停止层，厚度为1000 A;步骤3.在铝镓砷薄膜上制备热电堆外延生长砷化镓，生长范围为热电堆砷化镓臂，厚度为0.25ym;溅射金锗镍/金，生长热电堆金属臂，金锗镍/金 的厚度为300 /1800A;步骤4.在铝镓砷薄膜上淀积氮化钽形成终端电阻，淀积厚度为2ym;在铝 镓砷薄膜上溅射并光刻钛/金/钛，溅射范围为共面波导传输线即第一CPW地 线、中心信号线、第二CPW地线、中心信号线、金属散热片、下拉电极，溅射 厚度为500/1500/300 A;步骤5.电镀金，电镀范围为共面波导传输线、金属散热片、下拉电极，厚 度为2um;步骤6.在中心信号线、下拉电极上表面的中部淀积SiN介质层，厚度为1000A; 步骤7.淀积聚酰亚胺牺牲层，厚度为1. m;步骤8.在聚酰亚胺层上采用热蒸发工艺淀积0.5iim的铝层，在铝层上采用电子束蒸发工艺淀积0. 1 u m的铬金属层；步骤9.释放聚酰亚胺牺牲层，形成悬臂梁结构；步骤10.减薄砷化镓衬底至100 li m并背面刻蚀至铝镓砷薄膜。有益效果通过控制MEMS悬臂梁在Up态与Down态之间的转换，就可以实现微 波功率的通过式检测。在Up态下，悬臂梁向上弯曲，远离中心信号线，几乎不耦合 中心信号线上的微波功率，微波功率耦合器的插入损耗小；在Down态，微波功率耦 合器的耦合度大小主要由MEMS悬臂梁结构的L电容决定，易于改变耦合度。此外， 终端电阻制作成半环状，使热电堆的热端嵌入其中，提高了传热效率，从而提高了 灵敏度。该基于MEMS悬臂梁通过式微波功率检测器的工艺与传统GaAs工艺兼容， 增加了本发明的实用性。
区分是否为该结构的标准如下-
1. 微波功率耦合器的CPW中心信号线上方制作了向上弯曲的悬臂梁，并通 过悬臂梁对微波信号进行耦合，改变耦合度的方式是通过改变悬臂梁与 中心信号线交叠区的长度以及悬臂梁的宽度来实现的；
2. 终端电阻制作成半环状，将热电堆的热端嵌入其中。
满足以上2个条件的结构即视为基于微电子机械技术的悬臂梁通过式微波 功率检测器。
图1是基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器的俯视图； 图2是基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器在Up态下的A-A面剖 视图3是基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器在Down态下的A-A面 剖视图4是基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器的工艺流程图。图4一1 准备砷化镓衬底，图4一2外延生长铝镓砷薄膜，图4一3外延生长砷化镓，图4一 4溅射金锗镍/金，图4一5淀积氮化钽形成终端电阻，图4一6溅射并光刻钛/金/ 钛，图4一7电镀金，图4一8淀积SiN介质层，图4一9淀积聚酰亚胺牺牲层，图 4一10淀积铝层、铬层，图4一11释放聚酰亚胺牺牲层，图4一12减薄衬底并背面 刻蚀，
图5是悬臂梁处于Down态时的耦合度(交叠区长、宽分别为lura、 80pm)。 图6是输出热电势随输入功率的变化图(微波功率传感器部分尺寸为地线 宽142um，槽宽58iim，中心信号线宽100 u m，热电偶长度为80nm，热电偶距终端电阻5um，对数为6。) 图中包括微波功率耦合器第一CPW地线1一1、中心信号线1一2、介质层1一3、下拉电 极1一4、悬臂梁1一5、悬臂梁锚区1一6、铬金属层1一7;微波功率传感器第二CPW地线2—1、中心信号线2—2、终端电阻2—3、热电 堆2—4、压焊块2—5、金属散热片2—6;砷化镓衬底3、铝镓砷薄膜4。
具体实施方式
本发明提出的微波功率检测器包含两部分基于悬臂梁结构的微波功率耦合 器和微波功率传感器。其俯视图如图l所示。如图1所示的微波功率检测器，该微波功率检测器以砷化镓3为衬底，在砷化镓衬底上设一层铝镓砷薄膜4，在铝镓砷薄膜4的上表面设有基于悬臂梁结构的 微波功率耦合器和微波功率传感器。微波功率耦合器包括第一CPW地线1一1、中心 信号线1一2、介质层1一3、下拉电极1一4、悬臂梁1一5、悬臂梁锚区1一6，铬金 属层1一7;其中，第一CPW地线1一1、中心信号线1一2、下拉电极1一4顺序并排 排列，中心信号线l一2、下拉电极l一4上表面的中部设有介质层l一3，悬臂梁1 一5固定在中心信号线2—2上的悬臂梁锚区l一6处，在悬臂梁1—5的上表面设有 铬金属层1一7，悬臂梁1一5的活动端位于介质层1一3的上方。微波功率传感器包 括第二CPW地线2 — 1、中心信号线2—2、终端电阻2—3、热电堆2—4、压焊块2 _5、金属散热片2—6;其中，中心信号线2—2横向位于中间，中心信号线2—2通 过终端电阻2—3分别与两侧的第二 CPW地线2—1连接，.热电堆2—4位于终端电阻 2—3与金属散热片2—6之间。左端的微波功率耦合器根据悬臂梁下拉与否可以分为Up态和Down态。当下拉 电极上没加下拉电压时，悬臂梁悬浮于中心信号线上，微波功率耦合器处于Up态， 如图2所示；当下拉电极上施加一定下拉电压时，悬臂梁下拉并与中心信号线上的 介质层接触，微波功率耦合器处于Down态，如图3所示。当微波功率耦合器处于Up 态时，由于悬臂梁向上弯曲，离中心信号线较远，对CPW上传输的微波信号没有影 响，所以几乎不耦合中心信号线上的功率，因而插入损耗极小；当微波功率耦合器 处于DoTO态时，悬臂梁末端、介质层、中心信号线构成一MIM (金属-绝缘体-金属)电容，微波功率可以通过此MIM电容耦合到微波功率传感器，终端电阻吸收微波 功率并将其转化为焦耳热，从而在热电堆两端产生温差，热电堆的输出端(压焊块) 便会输出基于塞贝克效应而产生的热电势，从而实现微波功率的测量。当施加驱动电压使MEMS悬臂梁处于Down态时，中心信号线、介质层、悬臂 梁构成电容a^，终端电阻上所消耗的微波功率即为该电容耦合出的功率。通过 改变该电容的值可以改变耦合出的微波功率的大小，即耦合度。G,主要由悬臂 梁和CPW中心信号线交叠面积决定，因此，改变悬臂梁与中心信号线交叠区的长 度以及悬臂梁的宽度就可以实现不同耦合度的要求。与传统的微波功率传感器的终端电阻构造形式不同，该发明将终端电阻制作 成半环状，使热电堆的热端嵌入其中，改善传热效率，从而能够提高热端的温度， 进而提高传感器的灵敏度。通过控制微波功率耦合器在Up态与Down态之间的转换来实现微波功率的通 过式检测，通过控制悬臂梁与CPW中心信号线交叠区域面积的大小来改变微波功 率的耦合度。本发明提出了一种基于微电子机械技术的悬臂梁通过式微波功率检测器，通 过微波功率耦合器在Up态与Down态之间的转换来决定是否耦合功率，微波功率 传感器的终端电阻吸收耦合的微波功率并将其转化为焦耳热，从而在热电堆两端 产生温度差，热电堆输出端输出基于塞贝克效应的热电势。金属散热片使热电堆 冷端温度保持恒定。本发明制备工艺与GaAs单片微波集成电路(MMIC)工艺相 兼容，具体工艺步骤如下1. 准备砷化镓衬底，使用未掺杂的砷化镓，厚度为500ym;2. 外延生长铝镓砷薄膜，用作腐蚀自停止层，厚度为1000 A;3. 外延生长砷化镓，生长范围为热电堆砷化镓臂，厚度为0.25um;4. 溅射金锗镍/金，生长热电堆金属臂，金锗镍/金的厚度为300 /1800A;5. 淀积氮化钽形成终端电阻，淀积厚度为2um;6. 溅射并光刻钛/金/钛，溅射范围为共面波导传输线、金属散热片、下拉 电极，溅射厚度为500/1500/300 A。7. 电镀金，电镀范围为波导传输线、金属散热片、下拉电极，厚度为2ym;8. 淀积SiN介质层，厚度为1000A;9. 淀积聚酰亚胺牺牲层，厚度为1.6pm;
10. 在聚酰亚胺层上采用热蒸发工艺淀积0.5ixm的铝层，在铝层上采用电 子束蒸发工艺淀积0. 1 ii m的铬层；
11. 释放聚酰亚胺牺牲层，形成悬臂梁结构；
12. 减薄衬底至100u m并背面刻蚀至铝镓砷阻挡层。
权利要求
1.一种基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器，其特征在于该微波功率检测器以砷化镓(3)为衬底，在砷化镓衬底上设一层铝镓砷薄膜(4)，在铝镓砷薄膜(4)的上表面设有基于悬臂梁结构的微波功率耦合器和微波功率传感器。微波功率耦合器包括第一CPW地线(1-1)、中心信号线(1-2)、介质层(1-3)、下拉电极(1-4)、悬臂梁(1-5)、悬臂梁锚区(1-6)，铬金属层(1-7)；其中，第一CPW地线(1-1)、中心信号线(1-2)、下拉电极(1-4)顺序并排排列，中心信号线(1-2)、下拉电极(1-4)上表面的中部设有介质层(1-3)，悬臂梁(1-5)固定在中心信号线(2-2)上的悬臂梁锚区(1-6)处，在悬臂梁(1-5)的上表面设有铬金属层(1-7)，悬臂梁(1-5)的活动端位于介质层(1-3)的上方。微波功率传感器包括第二CPW地线(2-1)、中心信号线(2-2)、终端电阻(2-3)、热电堆(2-4)、压焊块(2-5)、金属散热片(2-6)；其中，中心信号线(2-2)横向位于中间，中心信号线(2-2)通过终端电阻(2-3)分别与两侧的第二CPW地线(2-1)连接，热电堆(2-4)位于终端电阻(2-3)与金属散热片(2-6)之间。
2. —种如权利要求1所述的基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器的 制备方法，其特征在于制备方法为步骤l.准备砷化镓(3)衬底，使用未掺杂的砷化镓，厚度为500ym;步骤2.外延生长铝镓砷薄膜(4)，用作腐蚀自停止层，厚度为1000 A;步骤3.在铝镓砷薄膜(4)上制备热电堆(2—4):外延生长砷化镓，生长 范围为热电堆砷化镓臂，厚度为0.25i:nu溅射金锗镍/金，生长热电堆金属臂， 金锗镍/金的厚度为300 /1800A;步骤4.在铝镓砷薄膜(4)上淀积氮化钽形成终端电阻(2 — 3)，淀积厚度 为2um;在铝镓砷薄膜(4)上溅射并光刻钛/金/钛，溅射范围为共面波导传输 线即第一CPW地线(l一l)、中心信号线(1_2)、第二CPW地线(2—1)、中心 信号线(2—2)、金属散热片(2 — 6)、下拉电极(1一4)，溅射厚度为500/1500/300A;步骤5.电镀金，电镀范围为共面波导传输线、金属散热片(2—6)、下拉电极(l一4)，厚度为2um;歩骤6.在中心信号线(1_2)、下拉电极(l一4)上表面的中部淀积SiN介质 层(l一3)，厚度为1000A;步骤7.淀积聚酰亚胺牺牲层，厚度为1. 6 " m;步骤8.在聚酰亚胺层上采用热蒸发工艺淀积0.5um的铝层，在铝层上采 用电子束蒸发工艺淀积O. lum的铬金属层(l一7); 步骤9.释放聚酰亚胺牺牲层，形成悬臂梁结构；步骤10.减薄砷化镓(3)衬底至100um并背面刻蚀至铝镓砷薄膜(4)。
全文摘要
基于微电子机械悬臂梁通过式微波功率检测器及制备方法利用多层材料梁释放后存在的残余应力，使梁产生向上弯曲，从而在不检测时获得极低的插入损耗。通过改变悬臂梁的长度以及宽度，就可以改变微波功率耦合器的耦合度；将终端电阻制作成半环状，将热电堆的热端嵌入其中，进一步提高传热效率。该微波功率检测器实现了微波功率的通过式检测。微波功率检测器以砷化镓为衬底，在砷化镓衬底上有一层铝镓砷薄膜，从左至右分别为基于悬臂梁结构的微波功率耦合器和微波功率传感器。微波功率耦合器包括CPW地线、中心信号线、下拉电极、介质层、悬臂梁、悬臂梁锚区。微波功率传感器包括CPW地线、中心信号线、终端电阻、热电堆、压焊块、金属散热片。
文档编号G01R21/02GK101332971SQ200810020839
公开日2008年12月31日 申请日期2008年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者廖小平, 许映林 申请人:东南大学