T形结缝隙耦合在线式微波相位检测器的制作方法

本发明提出了T形结缝隙耦合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：

在微波领域中，微波信号相位测量占有十分重要的地位。微波相位检测器广泛应用于个人通信、军事国防和科学研究等方面。随着频率的增加，信号的波长与电路中各种元器件尺寸逐步接近，电路中电压、电流都以波的形式存在，信号的相位延迟使得电路中不仅不同位置处的电压、电流在同一时刻振幅各不相同，而且同一位置处的电压、电流在不同时刻也各不相同。因此在微波频段掌握并控制信号的相位是很有必要的，微波信号的相位也就成了一个重要的测量参数。本发明即是基于Si工艺设计一种T形结缝隙耦合在线式微波相位检测器。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提出一种T形结缝隙耦合在线式微波相位检测器，本发明采用了缝隙结构耦合微波信号，在功率合成方面采用T形结，在微波信号的功率检测方面采用直接加热式微波功率传感器，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检测。

技术方案：本发明的T形结缝隙耦合在线式微波相位检测器，微波相位检测器由共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线对称的缝隙结构、T形结以及两个直接加热式微波功率传感器所构成，如附图1所示。微波的相位检测采用的是矢量合成法，将参考信号和待测信号通过T形结合成后由余弦函数式计算出微波信号的相位。

共面波导传输线由共面波导传输线的信号线和地线构成，共面波导传输线的信号线上侧的缝隙结构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连接直接加热式微波功率传感器1，下侧的缝隙结构通过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形结的输出端口通过T形结的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形结包括第一空气桥、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、第三共面波导传输线的信号线，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、第三空气桥用于共面波导传输线的地线之间的互连，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包括半导体热偶臂、终端电阻、直流输出块、隔绝直流电容、共面波导传输线的信号线，其作用主要是基于塞贝克效应来检测待测微波信息的功率大小。

有益效果：本发明是T形结缝隙耦合在线式微波相位检测器，微波相位检测器采用了缝隙结构，这种结构能将小部分的微波信号耦合出来，并利用这部分耦合信号来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形结缝隙耦合在线式微波相位检测器俯视图；

图2为图1 T形结缝隙耦合在线式微波相位检测器的A-A’剖面图；

图3为图1 T形结缝隙耦合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、地线3，缝隙结构4，缝隙结构5，直接加热式微波功率传感器1的半导体热偶臂6、终端电阻7、直流输出块8、隔绝直流电容9、共面波导传输线的信号线10，T形结的第一空气桥11、第二空气桥12、第三空气桥13、第一共面波导传输线的信号线14、第二共面波导传输线的信号线15、第三共面波导传输线的信号线16，直接加热式微波功率传感器2的半导体热偶臂17终端电阻18、直流输出块19、隔绝直流电容20，SiO₂层21。在高阻硅衬底1上制备一层SiO₂层21，在SiO₂层21上设有共面波导传输线、缝隙结构4和缝隙结构5、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T形结缝隙耦合在线式微波相位检测器是由共面波导传输线、两个关于共面波导传输线的信号线2对称的缝隙结构4和缝隙结构5、T形结以及两个直接加热式微波功率传感器所构成的，如附图1所示。采用直接加热式微波功率传感器检测微波信号的功率，采用矢量合成法进行微波信号的相位检测，将参考信号和待测信号采用T形结合成后由余弦函数式计算出待测微波信号的相位。

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，在共面波导传输线的信号线2两侧对称分别设有一个缝隙结构4和缝隙结构5，上侧的缝隙结构4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10连接直接加热式微波功率传感器。下侧的缝隙结构5通过T形结的第一共面波导传输线的信号线14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15连接参考信号输入端口，T形结的输出端通过T形结的共面波导传输线的信号线16连接直接加热式微波功率传感器2。

T形结包括第一空气桥11、第二空气桥12、第三空气桥13、第一共面波导传输线的信号线14、第二共面波导传输线的信号线15、第三共面波导传输线的信号线16，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11、第二空气桥12、第三空气桥13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包括半导体热偶臂6、终端电阻7、直流输出块8、隔绝直流电容9、共面波导传输线的信号线10；直接加热式微波功率传感器2包括半导体热偶臂17终端电阻18、直流输出块19、隔绝直流电容20。

直接加热式微波功率传感器的基本工作原理是基于塞贝克效应，所谓塞贝克效应就是由A、B两种不同的导体一端紧密地连在一起，当两接点温度不等(T>T₀，T和T₀分别为热端和冷端的温度)时，在另一端两点处就会产生电势，从而形成电流，这一现象又称为热电效应，该电动势称为热电势。

本发明提出了一种T形结缝隙耦合在线式微波相位检测器，当待测微波信号在共面波导传输线上传输时，共面波导传输线的信号线2两侧对称的缝隙结构4和缝隙结构5能够耦合出小部分信号，这部分被耦合出的小信号拥有与待测信号相同的相位。上侧缝隙结构4将耦合出的信号由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10传输向直接加热式微波功率传感器1，基于塞贝克效应以直流输出电压V₁的形式输出检测结果，可推算出该耦合信号的功率P₁。由对称性可知，下侧的缝隙结构5耦合出的信号功率也是P₁。由T形结将功率为P₂、对应直流输入电压为V₂的参考信号和功率为P₁、对应直流输出电压为V₁的下侧缝隙结构5耦合出的信号进行功率矢量合成，合成后的信号利用直接加热式微波功率传感器检测得到直流输出电压V₃，可推算出该合成功率为P₃。它们之间满足关于的余弦函数式：

其中是待测信号和参考信号的相位差。基于公式(1)最终可以推导出:

同时，由于缝隙结构4和缝隙结构5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形结缝隙耦合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，剥离形成传输线的第一层Au、隔绝直流电容下极板，以及输出电极；

8)涂覆一层光刻胶，光刻并保留隔绝直流电容；

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

10)涂覆光刻胶，光刻去除空气桥、共面波导传输线以及输出电极位置的光刻胶；

11)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；

12)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成空气桥、共面波导传输线和输出电极；

13)深反应离子刻蚀(DRIE)共面波导传输线，制作缝隙结构；

14)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；

15)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除空气桥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。

本发明的不同之处在于：

本发明采用了缝隙结构，这种缝隙结构能够将在共面波导中传播的微波信号耦合出一小部分，并利用这部分耦合出的小信号来检测待测微波信号的相位大小，从而实现微波相位的在线式检测；对功率的合成采用T形结，对合成信号功率的检测采用直接加热式微波功率传感器来实现热电转换。另外由于耦合出的信号功率和待测信号相比非常小，因此对待测微波信号影响不大，该微波信号可以继续在共面波导上传播并进行后续的信号处理。

满足以上条件的结构即视为本发明的T形结缝隙耦合在线式微波相位检测器。