悬臂梁T形结在线式微波相位检测器的制作方法

本发明提出了一种悬臂梁T形结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：

在微波技术领域中，相位是微波信号的重要参数之一，微波信号相位检测在微波信号的产生、传播和接收的各个环节中都有着极其重要的作用，是电磁测量不可缺少的一部分。在实际应用中，微波信号相位检测系统可用于测量物体的方位角、提取运动物体的多普勒频移、相控阵雷达以及测量器件的相位特性等。微波信号相位检测的方法主要有两种：信号分解法和矢量合成法。它们的优点是精度高，宽频带，但是无法实现在线式检测，并且结构相对复杂，体积相对较大。本发明在高阻硅衬底上设计了一种悬臂梁T形结在线式微波相位检测器。它利用了悬臂梁结构来实现相位检测，结构简单，便于实现，同时提高了系统的集成度，能够实现在线式检测，效率较高。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提出一种悬臂梁T形结在线式微波相位检测器，本发明在微波信号耦合方面采用悬臂梁结构耦合微波信号，在微波功率的合成方面采用T形结，在微波信号的功率检测方面采用间接热电式微波功率传感器，在微波相位检测方面采用矢量合成法，从而实现了在线式微波相位的检测。

技术方案：悬臂梁T形结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形结以及两个间接热电式微波功率传感器，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共面波导传输线的信号线上方，上侧悬臂梁结构的锚区通过间接热电式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线连接间接热电式微波功率传感器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至T形结的一个输入端，T形结的另一个输入端通过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，输出端通过第三共面波导传输线的信号线连接间接热电式微波功率传感器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成，为三端口器件，可用于功率合成，无需隔离电阻，其中空气桥用于地线之间的互连，为了方便空气桥的释放，在空气桥上制作了一组小孔阵列。

间接热电式微波功率传感器由金属热偶臂、半导体热偶臂、欧姆接触区、终端电阻、直流输出块构成，间接热电式微波功率传感器基于塞贝克原理检测微波信号的功率大小，并以一直流电压的形式输出检测结果。

本发明提供了一种悬臂梁T形结在线式微波相位检测器，位于共面波导传输线上方的两个对称的悬臂梁在线耦合出部分微波信号，上侧悬臂梁结构的锚区连接间接热电式微波功率传感器1检测功率大小，下侧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形结输出端连接间接热电式微波功率传感器2检测合成后的信号功率。根据间接热电式微波功率传感器2直流输出电压的大小，推断出待测信号的相位。本发明的悬臂梁T形结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，由于悬臂梁结构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：本发明是悬臂梁T形结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为本发明的悬臂梁T形结在线式微波相位检测器俯视图；

图2为图1悬臂梁T形结在线式微波相位检测器的A-A’剖面图；

图3为图1悬臂梁T形结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，间接热电式微波功率传感器1的金属热偶臂9、半导体热偶臂10、欧姆接触区11、终端电阻12、直流输出块13和共面波导传输线的信号线14，T形结的第一空气桥15、第二空气桥16、第三空气桥17、第一共面波导传输线的信号线18、第二共面波导传输线的信号线19和第三共面波导传输线的信号线20，间接热电式微波功率传感器2的金属热偶臂21、半导体热偶臂22、欧姆接触区23、终端电阻24和直流输出块25，SiO₂层26。在高阻硅衬底1上制备一次SiO₂层26，在SiO₂层26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形结以及间接热电式微波功率传感器1和间接热电式微波功率传感器2。

具体实施方式

本发明的悬臂梁T形结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26，在SiO₂层26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形结以及间接热电式微波功率传感器1和间接热电式微波功率传感器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2和地线3构成，悬臂梁结构1由悬臂梁结构1的悬臂梁4和锚区5构成，悬臂梁结构2由悬臂梁结构2的悬臂梁6和锚区7构成，悬于共面波导传输线的信号线2上的绝缘介质层7上方。悬臂梁结构1,锚区5通过间接热电式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线14连接间接热电式微波功率传感器1，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18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19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20连接间接热电式微波功率传感器2。

T型结包括第一空气桥15、第二空气桥16、第三空气桥17、第一共面波导传输线的信号线18、第二共面波导传输线的信号线19和第三共面波导传输线的信号线20，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15、第二空气桥16和第三空气桥17用于共面波导传输线的地线3之间的互连，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。

间接热电式微波功率传感器包括金属热偶臂9、半导体热偶臂10、欧姆接触区11、终端电阻12、直流输出块13和共面波导传输线的信号线14；间接热电式微波功率传感器2包括金属热偶臂21、半导体热偶臂22、欧姆接触区23、终端电阻24和直流输出块25构成。间接热电式微波功率传感器基于塞贝克原理检测微波信号的功率大小，并以一直流电压的形式输出检测结果。

本发明的悬臂梁T形结在线式微波相位检测器的具体实施方案如下：

如图1，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，间接热电式微波功率传感器1的金属热偶臂9、半导体热偶臂10、欧姆接触区11、终端电阻12、直流输出块13和共面波导传输线的信号线14，T形结的第一空气桥15、第二空气桥16、第三空气桥17、第一共面波导传输线的信号线18、第二共面波导传输线的信号线19和第三共面波导传输线的信号线20，间接热电式微波功率传感器2的金属热偶臂21、半导体热偶臂22、欧姆接触区23、终端电阻24和直流输出块25，SiO2层26。

悬臂梁结构1和悬臂梁结构2结构位于共面波导传输线的信号线2上的绝缘介质层8的上方。当待测微波信号通过共面波导传输线时，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。悬臂梁结构1的锚区5通过间接热电式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线14将耦合微波信号输向间接热电式微波功率传感器1，并检测出其功率P₁；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18将耦合微波信号输向T形结的一个输入端，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：

基于公式(1)最终可以推导出:

同时，由于悬臂梁结构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。

本发明的悬臂梁T形结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)光刻并隔离外延的N⁺高阻硅，形成热电堆的半导体热偶臂的图形和欧姆接触区；

5)反刻N⁺高阻硅，形成其掺杂浓度为10¹⁷cm^-3的热电堆的半导体热偶臂；

6)光刻：去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；

7)剥离，形成热电堆的金属热偶臂；

8)光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；

9)溅射氮化钽，其厚度为1μm；

10)剥离涂覆一层光刻胶，光刻去除共面波导传输线、热电堆金属互连线以及输出电极处的光刻胶；

11)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，剥离形成传输线的第一层Au、热电堆金属互连线以及输出电极；

12)淀积(LPCVD)一层Si₃N₄，厚度为0.1mm；

13)涂覆一层光刻胶，光刻并保留空气桥和悬臂梁下方的光刻胶，干法刻蚀Si₃N₄，形成Si₃N₄介质层；

14)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；

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

16)蒸发500/1500/300A°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；

17)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、共面波导传输线以及输出电极；

18)深反应离子刻蚀(DRIE)衬底材料背面，制作热电堆下方的薄膜结构；

19)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：

本发明的悬臂梁T形结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，具有两个间接热电式微波功率传感器和T形结。当待测微波信号通过共面波导传输线时，悬臂梁结构耦合出小部分微波信号，并且分别由悬臂梁结构的锚区输出。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间接热电式微波功率传感器；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悬臂梁T形结在线式微波相位检测器。