固支梁T形结在线式微波相位检测器的制作方法

本发明提出了固支梁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：

在微波技术研究中，作为表征信号的三大参数(幅度、频率和相位)之一的微波相位是微波信号的一个重要参数。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。目前，微波信号相位检测系统的设计均是针对检测同频率信号之间的相位差。现有的相位检测方法有以下几种：利用二极管检波，利用乘法器结构和利用矢量运算法实现相位检测，以上方法的缺点是都需要相对复杂的结构。随着微电子技术的发展，现代个人通信系统和雷达系统要求微波相位检测器具有简单的结构，小的体积以及小的功耗。MEMS系统具有体积小、功耗低、成本低等优点。本发明的目的正是要提出一种基于MEMS技术的在线式微波信号相位检测器的实现方法。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提出一种固支梁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了固支梁耦合微波信号，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：固支梁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、固支梁结构、T形结以及两个间接热电式微波功率传感器，所述的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，固支梁结构悬于共面波导传输线的信号线上的绝缘介质层上方，固支梁结构的上侧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，下侧第二锚区通过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连接间接热电式微波功率传感器2。

T形结由第一空气桥、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、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(15)、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。

间接热电式微波功率传感器1包括金属热偶臂、半导体热偶臂、欧姆接触区、终端电阻、直流输出块以及共面波导传输线的信号线，其作用是基于塞贝克效应检测微波功率大小。

本发明提供了一种固支梁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固支梁在线耦合出部分微波信号，固支梁结构的上端锚区连接间接热电式微波功率传感器检测功率大小，下端输入T形结与参考信号进行矢量合成。根据间接热电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。本发明的固支梁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，由于固支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：本发明是固支梁T形结在线式微波相位检测器，采用了结构简单的固支梁耦合微波信号，由于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。

附图说明

图1为本发明的固支梁T形结在线式微波相位检测器俯视图；

图2为图1固支梁T形结在线式微波相位检测器的A-A’剖面图；

图3为图1固支梁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、地线3，固支梁结构的固支梁4、第一锚区5和第二锚区6，绝缘介质层7，间接热电式微波功率传感器1的金属热偶臂8、半导体热偶臂9、欧姆接触区10、终端电阻11、直流输出块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，间接热电式微波功率传感器2的金属热偶臂20、半导体热偶臂21、欧姆接触区22、终端电阻23和直流输出块24，SiO₂层25。在高阻硅衬底1上制备一次SiO₂层25，在SiO₂层25上设有共面波导传输线、固支梁结构、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

本发明的固支梁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25，在SiO₂层25上设有共面波导传输线、固支梁结构、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，包括共面波导传输线的信号线2和地线3。固支梁结构包括固支梁4、第一锚区5和第二锚区6。固支梁结构悬于共面波导传输线的信号线2上的绝缘介质层7上方。固支梁结构的第一锚区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13连接间接热电式微波功率传感器1，第二锚区6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连接间接热电式微波功率传感器2。

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、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。

间接热电式微波功率传感器1包括金属热偶臂8、半导体热偶臂9、欧姆接触区10、终端电阻11、直流输出块12以及共面波导传输线的信号线13；间接热电式微波功率传感器2包括金属热偶臂20、半导体热偶臂21、欧姆接触区22、终端电阻23以及直流输出块24。

固支梁结构位于共面波导传输线的信号线2上的绝缘介质层7的上方。当待测微波信号通过共面波导传输线时，固支梁4耦合出部分微波信号，并且分别由固支梁结构的第一锚区5和第二锚区6输出。第一锚区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13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；第二锚区6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：本发明的固支梁T形结在线式微波相位检测器的具体实施方案如下：

基于公式(1)最终可以推导出:

如图1，高阻硅衬底1，共面波导传输线的信号线2、地线3，固支梁结构的固支梁4、第一锚区5和第二锚区6，绝缘介质层7，间接热电式微波功率传感器1的金属热偶臂8、半导体热偶臂9、欧姆接触区10、终端电阻11、直流输出块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，间接热电式微波功率传感器2的金属热偶臂20、半导体热偶臂21、欧姆接触区22、终端电阻23和直流输出块24，SiO2层25。在高阻硅衬底1上制备一次SiO2层25，在SiO2层25上设有共面波导传输线、固支梁结构、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。

本发明的固支梁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；

11.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；

12.电子束蒸发(EBE)形成共面波导传输线第一层金(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的第一层Au、热电堆金属互连线以及输出电极；

13.淀积(LPCVD)一层Si₃N₄，厚度为0.1mm；

14.涂覆一层光刻胶，光刻并保留空气桥和固支梁下方的光刻胶，干法刻蚀Si₃N₄，形成Si₃N₄介质层；

15.均匀涂覆一层聚酰亚胺并光刻图形，厚度为2mm，保留空气桥、固支梁下方的聚酰亚胺作为牺牲层；

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

17.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；

18.去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成空气桥、固支梁、固支梁结构的锚区、共面波导传输线和输出电极；

19.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；

20.释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除空气桥、固支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：

本发明的固支梁T形结在线式微波相位检测器采用固支梁耦合微波信号，由共面波导传输线、固支梁、T形结和两个间接热电式微波功率传感器。当待测微波信号通过共面波导传输线时，固支梁耦合出一小部分微波信号，并且分别由固支梁结构的两端锚区输出。一端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；另一端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固支梁T形结在线式微波相位检测器。