硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器的制作方法

本发明提出了硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术：

在如今飞速发展的信息时代，人们对各频率段信号的检测也越来越受到重视，尤其是对于频率较高的毫米波来说，如何高效和简便地检测毫米波信号的各个参数对人们来说也是需要攻克的一项难题。毫米波信号拥有三个重要的参数，分别为频率、相位和功率，这三个参数的测量技术在军事、航天航空和微波通信等领域有着非常广泛的应用，因此在信息技术日益发展的今天，对毫米波频率、相位和功率的高精度检测是关系国家经济发展和科技创新的重要内容。但是现有的频率检测器、相位检测器和功率检测器不仅结构复杂、成本较高，而且大多不能集成在一起进行统一测量，从而降低了对信号参数检测的效率，因此传统的信号检测仪器已经无法实现对毫米波信号的高效监测了。

针对以上毫米波信号检测的难题，随着对共面波导缝隙耦合结构、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及间接式热电式功率传感器的深入研究，本发明在高阻Si衬底上设计了一种将毫米波频率、相位和功率检测集成在一起的信号检测仪器，并通过模数转换和液晶显示环节对测得的微波参量进行显示输出，得到一个完整的微波信号检测仪器，这种利用缝隙耦合结构的信号检测器结构简单新颖，而且制作成本较低，具有较高的潜在应用价值。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器，在毫米波范围内，信号的频率检测、相位检测和功率检测的传统结构较为复杂，若只是简单地拼凑集成在一起难度较大，而且效率也较为低下，而本发明就利用共面波导缝隙耦合结构简便地将毫米波信号的频率、相位和功率检测集成在了一起，并通过模数转换将待测的参量直接显示在液晶屏幕上，形成一个全面的微波信号检测仪器。

技术方案：本发明的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器是由传感器、模数转换、MCS51单片机和液晶显示四个大模块组成，这四个大模块又由一些基础的小模块和电路构成。

其中传感器部分是由频率检测模块、相位检测模块和功率检测模块这三个小模块构成，它们是由共面波导、一号缝隙耦合结构、二号缝隙耦合结构、三号缝隙耦合结构、四号缝隙耦合结构、移相器、一号单刀双掷开关、二号单刀双掷开关、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及六个间接式热电式功率传感器所构成，具体结构的连接关系如下：第一端口是信号输入端，一号缝隙耦合结构和二号缝隙耦合结构位于共面波导上侧地线，三号缝隙耦合结构和四号缝隙耦合结构则位于共面波导下侧地线，这两对缝隙关于中心信号线对称，它们之间由一个移相器隔开，首先来看频率检测模块，一号缝隙耦合结构连接到第二端口，第二端口与一号单刀双掷开关的输入端相连，一号单刀双掷开关的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和一号间接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构连接到第三端口，第三端口与二号单刀双掷开关的输入端相连，二号单刀双掷开关的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号间接式热电式功率传感器，而一号Wilkinson功合器的输出端连接到三号间接式热电式功率传感器；再看相位检测模块，三号缝隙耦合结构与第四端口相连，第四端口连接到二号Wilkinson功合器，四号缝隙耦合结构与第五端口相连，第五端口连接到三号Wilkinson功合器，参考信号通过四号Wilkinson功分器的输入端输入，四号Wilkinson功分器的输出端分别连接到二号Wilkinson功合器和三号Wilkinson功合器，然后，二号Wilkinson功合器的输出端连接四号间接式热电式功率传感器，三号Wilkinson功合器的输出端连接五号间接式热电式功率传感器，最后是功率检测模块，在第六端口处连接着六号间接式热电式功率传感器

首先，对于毫米波的频率检测模块，它主要是由两个缝隙耦合结构、一段移相器、两个单刀双掷开关、一个Wilkinson功合器以及三个间接式热电式功率传感器所构成，毫米波信号P首先经过第一个缝隙耦合结构耦合出小部分的信号P₁(对应电压为V₁)，然后经过一段移相器之后再由另一个缝隙耦合结构耦合出另一部分的信号P₂(对应电压为V₂)，这样两个耦合信号之间就产生了一定的相位差实际上这段移相器就是一段共面波导，它的长度设置为以中心频率f₀为35GHz处波长的1/4，此时相位差就是90°，但是当频率f变化时，相位差是频率f的函数，可以表示为：

其中f为毫米波信号的频率，c为光速，ε_er为传输线的相对介电常数，ΔL为移相器的长度。从公式中可以看出只要测得的值，就能得到频率f的大小，于是将两个耦合信号P₁、P₂经过Wilkinson功合器进行合成，再用间接式热电式功率传感器去检测合成信号功率P_s的大小，合成信号的功率P_s(对应电压为V_s)是关于相位差的三角函数关系:

由于耦合信号P₁、P₂的大小未知，因此这里采用了两个单刀双掷开关将两个耦合出来的小信号率先进行功率检测，得到其功率大小，然后再通过Wilkinson功合器进行功率合成，于是由公式(2)就能计算出频率f的大小。注意这里的相位差只是两个耦合小信号之间的相位差，并不是原毫米波信号的相位Φ，还需要通过相位检测模块来精确确定原毫米波信号的相位Φ。

对于毫米波的相位检测模块，同样地也是由两个缝隙耦合结构耦合出部分小信号P₃和P₄，由于缝隙尺寸相同，所以它们的功率大小等于之前测得的耦合小信号P₁和P₂，并且它们的初始相位都为Φ，只是其中第二个缝隙耦合信号多传播了相位参考信号P_c(对应电压为V_c)经过Wilkinson功分器分解成左右两路一模一样的信号，左边一路信号与第一个缝隙耦合信号进行功率合成，得到合成功率P_L(对应电压为V_L)，它是关于相位Φ的三角函数关系；而右边一路信号与第二个缝隙耦合信号进行功率合成，得到合成功率P_R(对应电压为V_R)，它是关于相位的三角函数关系；

其中P₃＝P₁、P₄＝P₂，结合以上两个关系式，不仅可以得到相位Φ的大小，还可以得到相位的超前或滞后关系，实现了-180°～+180°的相位检测。

毫米波的功率检测模块是用间接式的热电式功率检测器来检测原毫米波信号的功率大小P的，它主要是由共面波导、终端电阻和热电堆所构成，而热电堆主要是由两种不同的半导体臂级联所组成，这样终端电阻吸收能量后发出的热量就会被热电堆的热端吸收，根据seebeck效应就能得到热电势，需要注意的是，在终端电阻和热电堆下方会将衬底减薄，这样热能就不会从衬底耗散掉，从而提高了热电转换效率。原毫米波信号的功率大小P可以由下式表达：

由于间接式热电式功率检测器输出的是模拟电压，并不是功率大小，因此公式(1)、(2)、(3)中出现的功率P₁、P₂、P₃、P₄、P_L、P_R、P_C、P_S都需要经过公式(4)将电压V₁、V₂、V₃、V₄、V_L、V_R、V_C、V_S进行计算才能得到。由于缝隙耦合信号实际上比原信号小得多，因此绝大部分的信号还是能继续传播并被间接式热电式功率传感器接收，信号的利用率大大提高了。

第二个大模块是模数转换部分，它的主要作用是将传感器三个小模块中输出的功率直接转换成数字信号，这个部分主要是由STM32微处理器及由AD620芯片组成的外围电路所构成，则根据公式(1)、(2)、(3)、(4)，可以反推出相应的频率f、相位Φ和功率P的大小：

然后是MCS51单片机部分，它的主要作用就是对各个电压值进行公式计算得到需要的频率f、相位Φ和功率P的数值。

最后就是液晶显示部分，它的主要作用就是将得到的数字信号直接进行显示输出，得出待测信号的频率f、相位Φ和功率P的读数。

有益效果：在本发明中，为了提高毫米波信号的检测效率，将毫米波信号的频率、相位以及功率实现一体化检测，采取了简单新颖的缝隙耦合结构，这种缝隙耦合结构能够将在共面波导中传播的电磁场能量耦合出一小部分，从而利用这耦合出的部分小信号来检测原毫米波信号的频率和相位大小，同时由于耦合出的信号能量和原信号相比非常小，因此几乎对原毫米波信号影响不大，原毫米波信号可以继续向后传播进行功率测量，同时将模拟输出信号经过转换直接输出在液晶屏幕上，构成完整的微波信号检测仪器，具有较高的潜在应用价值。

附图说明

图1为本发明的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器的结构框图

图2为本发明的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器的俯视图

图3为本发明的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的单刀双掷开关的俯视图

图4为本发明的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的单刀双掷开关AA’方向的剖面图

图5为本发明的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的俯视图

图6为本发明的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的间接式热电式功率传感器的俯视图

图7为本发明的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的间接式热电式功率传感器的剖面图

图8为本发明的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器中模数转换的电路图

图中包括：共面波导1，缝隙耦合结构2-1，缝隙耦合结构2-2，缝隙耦合结构2-3，缝隙耦合结构2-4，移相器3，频率检测模块4，相位检测模块5，功率检测模块6，电阻7，P型半导体臂8，N型半导体臂9，欧姆接触10，输出电极11，热电堆12，SiO₂层13，高阻Si衬底14，非对称共面带线15，空气桥16，衬底膜结构17，热端18，冷端19，一号单刀双掷开关20，二号单刀双掷开关21，锚区22，Si₃N₄介质层23，开关下拉电极板24，开关梁25，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1-5，第六端口1-6。

具体实施方案

本发明的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器中传感器部分是基于高阻Si衬底14制作的，是由共面波导1、一号缝隙耦合结构2-1、二号缝隙耦合结构2-2、三号缝隙耦合结构2-3、四号缝隙耦合结构2-4、移相器3、一号单刀双掷开关20、二号单刀双掷开关21、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及六个间接式热电式功率传感器所构成。

Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的结构是相同的，主要由共面波导1、非对称共面带线15和电阻7构成，其中两条长度相同的非对称共面带线15能够将共面波导1上的毫米波信号分为相等的两部分，而隔离电阻7位于两条非对称共面带线15的末端。

采用间接式热电式功率传感器来实现热电转换，它主要由共面波导1、两个电阻7以及热电堆12所构成，而热电堆12又是由P型半导体臂8和N型半导体臂9通过欧姆接触10级联组成，其中共面波导1与两个电阻7相连，而热电堆12与终端电阻7之间有一段间隔。

具体结构的连接关系如下：第一端口1-1是信号输入端，一号缝隙耦合结构2-1和二号缝隙耦合结构2-2位于共面波导1上侧地线，三号缝隙耦合结构2-3和四号缝隙耦合结构2-4则位于共面波导1下侧地线，这两对缝隙关于中心信号线对称，它们之间由一个移相器3隔开，首先来看频率检测模块4，一号缝隙耦合结构2-1连接到第二端口1-2，第二端口1-2与一号单刀双掷开关20的输入端相连，一号单刀双掷开关20的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和一号间接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构2-2连接到第三端口1-3，第三端口1-3与二号单刀双掷开关21的输入端相连，二号单刀双掷开关21的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号间接式热电式功率传感器，而一号Wilkinson功合器的输出端连接到三号间接式热电式功率传感器；再看相位检测模块5，三号缝隙耦合结构2-3与第四端口1-4相连，第四端口1-4连接到二号Wilkinson功合器，四号缝隙耦合结构2-4与第五端口1-5相连，第五端口1-5连接到三号Wilkinson功合器，参考信号通过四号Wilkinson功分器的输入端输入，四号Wilkinson功分器的输出端分别连接到二号Wilkinson功合器和三号Wilkinson功合器，然后，二号Wilkinson功合器的输出端连接四号间接式热电式功率传感器，三号Wilkinson功合器的输出端连接五号间接式热电式功率传感器，最后是功率检测模块6，在第六端口1-6处连接着六号间接式热电式功率传感器；在每个间接式热电式功率传感器之后都连接着模数转换模块，然后将这些模数转换得到的数字信号都接入MCS51单片机进行公式计算，最后通过液晶显示屏显示输出频率、相位和功率的数值大小。

本发明的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器中传感器的制备方法为：

1)准备高阻Si衬底14(4000Ω·cm)，厚度为400um；

2)热氧化生长一层SiO₂层13，厚度为1.2um；

3)淀积一层多晶硅，P型离子注入(掺杂浓度为10¹⁵cm^-2)，以达到制作电阻7的要求。

4)利用掩模版1对要制作热电堆P型半导体臂8的地方再次进行P型离子注入，达到P型半导体臂8的电阻率要求；

5)利用掩模版2对要制作热电堆N型半导体臂9的地方进行N型离子注入，达到N型半导体臂9的电阻率要求；

6)涂覆光刻胶，对多晶硅层进行光刻，最终形成电阻7、热电堆12的P型半导体臂8和N型半导体臂9；

7)在热电堆的P型半导体臂8和N型半导体臂9连接处制作欧姆接触10；

8)在衬底上涂覆光刻胶，去除传输线、输出电极11和开关下拉电极板23处的光刻胶，蒸发一层种子层Ti，厚度为然后制备第一层金，厚度为0.3um，通过剥离工艺去除保留的光刻胶，连带去除在光刻胶上面的金属层，初步形成传输线、输出电极11和开关下拉电极板23；

9)在前面步骤处理得到的高阻Si衬底14上，通过PECVD生成一层厚的Si₃N₄介质层，光刻Si₃N₄介质层，仅保留空气桥16和开关梁24下方的Si₃N₄介质层；

10)淀积一层1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满所有凹坑；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留空气桥16和开关梁25下方的聚酰亚胺牺牲层；

11)涂覆光刻胶，去除预备制作传输线、输出电极11、空气桥16和开关梁25处的光刻胶，蒸发一层种子层Ti，厚度为制备第二层金，厚度为2um，最后，去除保留的光刻胶，形成传输线、输出电极11、空气桥16和开关梁25；

12)在衬底的背面涂覆光刻胶，去除预备在衬底背面形成薄膜结构17处的光刻胶，在终端负载处的电阻7和热电堆12热端下方刻蚀减薄Si衬底，形成衬底膜结构17，保留约为40μm厚的膜结构；

13)释放聚酰亚胺牺牲层，以去除空气桥16和开关梁25下方的聚酰亚胺牺牲层；最后用去离子水浸泡5分钟，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

本发明的不同之处在于：

本发明采用了新颖的缝隙耦合结构，这种缝隙耦合结构能够将在共面波导中传播的电磁场能量耦合出一部分，从而利用这耦合出的部分小信号来检测原毫米波信号的频率和相位大小；功率分配器和功率合成器采用Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的结构来实现功率的平分或合成；至于功率检测器，则采用间接式热电式功率传感器来实现热电转换，从而测得功率的大小。这些结构不仅简化了电路版图，降低了制作成本，而且大大提高了毫米波信号的检测效率，实现了毫米波信号的频率、相位以及功率实现一体化检测，同时将模拟输出信号经过转换直接输出在液晶屏幕上，构成了一个完整的微波信号检测仪器。

满足以上条件的结构即视为本发明的硅基缝隙耦合式的间接式毫米波信号检测仪器。