T形结悬臂梁在线式微波相位检测器的制作方法

本发明提出了T形结悬臂梁在线式微波相位检测器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术：

微波信号相位测量在微波测量中占有十分重要的地位。微波信号相位检测系统在相位调制器、相移键控、微波定位、天线相位方向图的测试和近场诊断等方面都有着极其广泛的应用。现有的微波相位检测技术是基于二极管、乘法器结构和矢量运算原理，它们具有低损耗、高灵敏度和宽频带的优点，然而其最大的缺点是结构相对复杂，并且无法实现在线式的微波相位检测。随着微电子技术的发展，现代个人通信系统和雷达系统对微波相位检测器的要求也越来越高。简单的结构、小的体积以及小的直流功耗成为微波相位检测器的发展趋势。随着M EMS技术的快速发展，并对高阻硅金属半导体场效应晶体管进行了的深入研究，使基于微机械高阻硅基的悬臂梁结构实现上述功能的在线式微波相位检测器成为可能。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提出一种T形结悬臂梁在线式微波相位检测器，本发明采用了悬臂梁耦合微波信号，微波信号功率检测采用直接加热式微波功率传感器，微波相位检测采用矢量合成法，从而实现了微波相位的在线式检测。

技术方案：T形结悬臂梁在线式微波相位检测器，在高阻硅衬底上设有共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线对称的悬臂梁结构、T形结以及两个直接加热式微波功率传感器，共面波导传输线由共面波导传输线的信号线和地线构成，待测微波信号通过共面波导传输线，两个关于共面波导传输线的信号线对称的悬臂梁结构悬于待测信号传输线的信号线上方，上侧悬臂梁结构的锚区通过直接加热式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线连接直接加热式微波功率传感器1，下侧悬臂梁结构的锚区通过T形结的第一共面波导传输线的信号线连接T形结的一个输入端，另一个输入端通过T形结的第二共面波导传输线的信号线连接参考信号输入端口，T形结的输出端通过第三共面波导传输线的信号线连接直接加热式微波功率传感器2。

T型结由第一空气桥、第二空气桥、第三空气桥、第一共面波导传输线的信号线、第二共面波导传输线的信号线和第三共面波导传输线的信号线构成，为三端口器件，可用于功率合成，无需隔离电阻，其中第一空气桥、第二空气桥和第三空气桥用于地线之间的互连，为了方便这些空气桥的释放，在其上制作了一组小孔阵列。

直接加热式微波功率传感器由半导体热电偶臂、终端电阻、直流输出块11、隔绝直流电容和共面波导传输线的信号线构成，其作用是基于塞贝克效应对微波功率的大小进行检测，并以直流电压的形式输出检测结果。

本发明提供了一种T形结悬臂梁在线式微波相位检测器，位于共面波导传输线的信号线上方的两个完全对称的悬臂梁在线耦合出部分微波信号，上侧的悬臂梁结构的锚区连接直接加热式微波功率传感器检测功率大小，下侧的悬臂梁结构的锚区将耦合信号输入T形结并与参考信号进行矢量合成，T形结输出端连接一个直接加热式微波功率传感器检查合成信号功率大小。根据直接加热式微波功率传感器直流输出电压的大小，推断出待测信号的相位。本发明的T形结悬臂梁在线式微波相位检测器，不但具有易于测量的优点，而且能够实现对微波信号相位的在线式检测，易于集成以及与高阻硅单片微波集成电路兼容的优点。

同时，由于悬臂梁耦合出来的信号功率很小，大部分的信号能够继续通过共面波导传输线向后传播并进行后续的信号处理，从而实现了在线式微波相位的检测。

有益效果：本发明是T形结悬臂梁在线式微波相位检测器，采用了结构简单的悬臂梁结构耦合微波信号，并利用这部分耦合小信号实现微波相位的在线式检测，而大部分的信号能够继续在共面波导上传播并进行后续信号处理。

附图说明

图1为本发明的T形结悬臂梁在线式微波相位检测器俯视图；

图2为图1 T形结悬臂梁在线式微波相位检测器的A-A’剖面图；

图3为图1T形结悬臂梁在线式微波相位检测器的B-B’剖面图；

图中包括：高阻硅衬底1，共面波导传输线的信号线2和地线3，悬臂梁结构1的悬臂梁4和锚区5，悬臂梁结构2的悬臂梁6和锚区7，绝缘介质层8，直接加热式微波功率传感器1的半导体热电偶臂9、终端电阻10、直流输出块11、隔绝直流电容12和共面波导传输线的信号线13，T形结的第一空气桥14、第二空气桥15、第三空气桥16、第一共面波导传输线的信号线17、第二共面波导传输线的信号线18和第三共面波导传输线的信号线19，直接加热式微波功率传感器2的半导体热电偶臂20、终端电阻21、直流输出块22、隔绝直流电容23，SiO₂层24。在高阻硅衬底1上制备一次SiO₂层24，在SiO₂层24上设有共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线对称的悬臂梁结构1和悬臂梁结构2、T形结以及直接加热式微波功率传感器1和直接加热式微波功率传感器2。

具体实施方式

本发明的T形结悬臂梁在线式微波相位检测器制作在高阻硅衬底1上，在高阻硅衬底上制备有一层SiO₂层24，在SiO₂层24上设有共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线对称的悬臂梁结构1和悬臂梁结构2、T形结以及直接加热式微波功率传感器1和直接加热式微波功率传感器2。共面波导传输线作为本发明相位检测器的信号传输线，用于待测微波信号的传输，共面波导传输线由共面波导传输线的信号线的信号线2和地线3构成。悬臂梁结构1和悬臂梁结构2悬于共面波导传输线的信号线2上的绝缘介质层8的上方。悬臂梁结构1包括悬臂梁4和锚区5，悬臂梁结构2包括悬臂梁6和锚区7。共面波导传输线的信号线2上侧的悬臂梁结构1的锚区5通过直接加热式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线13连接直接加热式微波功率传感器1，共面波导传输线的信号线2下侧的悬臂梁结构2的锚区7通过T形结的第一共面波导传输线的信号线1)连接T形结的一个输入端口，另一个输入端口通过T形结的第二共面波导传输线的信号线18连接到参考信号输入端口，T形结的输出端通过T形结的第三共面波导传输线的信号线19连接直接加热式微波功率传感器2。

当待测微波信号通过待测信号传输线时，悬臂梁结构1和悬臂梁结构2耦合出部分微波信号，并且分别由悬臂梁结构1的锚区5和悬臂梁结构2的锚区7输出。上侧悬臂梁结构1的锚区5通过直接加热式微波功率传感器的共面波导传输线的信号线13将耦合微波信号输向直接加热式微波功率传感器1，并检测出其功率为P₁；下侧悬臂梁结构2的锚区7通过T形结的第一共面波导传输线的信号线17将耦合微波信号输向T形结，其通过T形结与功率为P₂的参考信号矢量合成，合成后的信号功率为P₃。记待测微波信号和参考信号的相位差为则经T形结输出的合成信号的功率与相位差存在余弦函数关系，通过计算最终实现待测微波信号相位的在线式检测。

本发明的T形结悬臂梁在线式微波相位检测器的具体实施方案如下：

如图1，图2，图3所示，包括高阻硅衬底1，共面波导传输线的信号线2和地线3，悬臂梁结构1的悬臂梁4和锚区5，悬臂梁结构2的悬臂梁6和锚区7，绝缘介质层8，直接加热式微波功率传感器1的半导体热电偶臂9、终端电阻10、直流输出块11、隔绝直流电容12和共面波导传输线的信号线13，T形结的第一空气桥14、第二空气桥15、第三空气桥16、第一共面波导传输线的信号线17、第二共面波导传输线的信号线18和第三共面波导传输线的信号线19，直接加热式微波功率传感器2的半导体热电偶臂20、终端电阻21、直流输出块22、隔绝直流电容23，SiO₂层24。在高阻硅衬底1上制备一次SiO₂层24，在SiO₂层24上设有共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线对称的悬臂梁结构1和悬臂梁结构2、T形结以及直接加热式微波功率传感器1和直接加热式微波功率传感器2。

悬臂梁结构1包括悬臂梁4和锚区5，悬臂梁结构2包括悬臂梁6和锚区7，悬臂梁结构1和悬臂梁结构2悬于共面波导传输线的信号线2上绝缘介质层8的上方。

T形结由第一空气桥(14)、第二空气桥(15)、第三空气桥(16)、第一共面波导传输线的信号线(17)、第二共面波导传输线的信号线(18)和第三共面波导传输线的信号线(19)构成，为三端口器件，可用于功率合成，无需隔离电阻，其中第一空气桥(14)、第二空气桥(15)、第三空气桥(16)用于共面波导传输线的地线(3)之间的互连，同时为了方便这三个空气桥的释放，在其上制作了一组小孔阵列。

直接加热式微波功率传感器1由半导体热偶臂(9)、终端电阻(10)、直流输出块(11)、隔绝直流电容(12)和共面波导传输线的信号线(13)构成；所述的直接加热式微波功率传感器2由半导体热偶臂(20)终端电阻(21)、直流输出块(22)、隔绝直流电容(23)构成。

当待测信号从共面波导传输线的信号线2经过时，悬臂梁结构1和悬臂梁结构2在线耦合出部分微波信号。为了检测其耦合出的功率，上侧悬臂梁结构1的锚区5通过直接加热式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线13连接直接加热式微波功率传感器1，并检测出其功率P₁；下侧悬臂梁结构2的锚区7通过T形结的第一共面波导传输线的信号线17连接T形结的一个输入端，另一个输入端通过第二共面波导传输线的信号线18连接参考信号输入端口，功率为P₂的参考信号从参考信号输入端口输入，合成后的信号通过T形结的第三共面波导传输线的信号线19传输向直接加热式微波功率传感器2，并检测得功率为P₃。记待测微波信号和参考信号的相位差为则经T形结输出的合成信号的功率P₃与相位差存在余弦函数关系：

基于公式(1)最终可以推导出:

同时，由于悬臂梁耦合出来的信号功率很小，大部分的信号能够继续通过共面波导传输线向后传播并进行后续的信号处理，从而实现了在线式微波相位的检测。

本发明的T形结悬臂梁在线式微波相位检测器的制备方法为：

1)准备4英寸高阻Si衬底，电阻率为4000Ω·cm，厚度为400mm；

2)热生长一层厚度为1.2mm的SiO₂层；

3)化学气相淀积(CVD)生长一层多晶硅，厚度为0.4mm；

4)涂覆一层光刻胶并光刻，除多晶硅电阻区域以外，其他区域被光刻胶保护，并注入磷(P)离子，掺杂浓度为10¹⁵cm^-2，形成终端电阻；

5)涂覆一层光刻胶，光刻多晶硅电阻图形涂覆一层光刻胶，光刻多晶硅电阻图形，再通过干法刻蚀形成终端电阻；

6)涂覆一层光刻胶，光刻去除共面波导传输线和输出电极处的光刻胶；

7)电子束蒸发(EBE)形成第一层金(Au)，厚度为0.3mm，去除光刻胶以及光刻胶上的Au，剥离形成共面波导传输线、隔直电容下极板以及输出电极；

8)淀积(LPCVD)一层Si₃N₄，厚度为0.1mm；

9)涂覆一层光刻胶，光刻并保留空气桥、隔直电容和悬臂梁下方的光刻胶，干法刻蚀Si₃N₄，形成Si₃N₄介质层；

10)均匀涂覆一层聚酰亚胺并光刻图形，厚度为2mm，保留空气桥和悬臂梁下方的聚酰亚胺作为牺牲层；

11)涂覆光刻胶，光刻去除空气桥、悬臂梁、悬臂梁结构的锚区、共面波导传输线、隔直电容以及输出电极位置的光刻胶；

12)蒸发500/1500/300 A°的Ti/Au/Ti的种子层，去除顶部的Ti层后再电镀一层厚度为2mm的Au层；

13)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成空气桥、悬臂梁、悬臂梁结构的锚区、共面波导传输线、隔直电容上极板和输出电极；

14)深反应离子刻蚀(DRIE)衬底材料背面，制作终端电阻、半导体热偶臂下方的薄膜结构；

15)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除空气桥和悬臂梁下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

区别是否为本发明结构的标准如下：

本发明的T形结悬臂梁在线式微波相位检测器采用两个完全对称的悬臂梁结构耦合微波信号，同时拥有共面波导传输线、T形结和两个直接加热式微波功率传感器。当待测微波信号通过共面波导传输线时，悬臂梁结构耦合出部分微波信号，并且分别由悬臂梁结构的两侧锚区输出。上侧悬臂梁结构的锚区通过共面波导传输线的信号线将耦合微波信号输向直接加热式微波功率传感器；下侧悬臂梁结构的锚区通过共面波导传输线的信号线将耦合微波信号输向T形结，其通过T形结与参考信号矢量合成。合成信号的功率与微波信号间的相位差存在余弦函数关系，最终利用矢量合成原理来实现微波信号相位的在线式检测。

满足以上条件的结构即视为本发明的T形结悬臂梁在线式微波相位检测器。