基于缝隙结构的在线式微波相位检测器的制作方法

本发明提出了基于缝隙结构的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，相位是表征微波信号的三大参数之一(频率、相位和幅度)。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。当前广泛采用的微波相位检测技术按原理可划分为：二极管结构、吉尔伯特乘法器结构和矢量合成法。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。

为了解决上述微波相位检测器的问题，本发明在高阻硅衬底上设计了基于缝隙结构的在线式微波相位检测器。它利用了缝隙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基于缝隙结构的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：本发明的基于缝隙结构的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对称的缝隙结构、功合器以及两个间接热电式微波功率传感器所构成的。共面波导传输线由共面波导传输线的信号线和地线构成，共面波导传输线的信号线上侧的缝隙结构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，共面波导传输线的信号线下侧的缝隙结构通过功合器的共面波导传输线的信号线连接功合器的输入端，功合器的输出端连接间接热电式微波功率传感器2。

将待测微波信号从待测微波信号输入端口输入，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两侧对称的缝隙结构能够耦合出一小部分信号，这部分被耦合出的信号与该信号相位相同。上侧缝隙结构通过共面波导传输线的信号线将耦合信号传输到间接热电式微波功率传感器1上，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，下侧的缝隙结构耦合出的信号功率也是P₁。由功合器将功率为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的下侧缝隙结构耦合出的信号进行功率矢量合成，合成后的信号利用间接热电式微波功率传感器2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：本发明是基于缝隙结构的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传输线上传播并进行后续信号处理。

附图说明

图1为本发明的基于缝隙结构的在线式微波相位检测器俯视图；

图2为图1基于缝隙结构的在线式微波相位检测器的A-A’剖面图；

图3为图1基于缝隙结构的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，缝隙结构4，缝隙结构5，功合器的ACPS信号线6、隔离电阻7、第一共面波导传输线的信号线8、第二共面波导传输线的信号线9和第三共面波导传输线的信号线10，间接热电式微波功率传感器1的金属热偶臂11、半导体热偶臂12、欧姆接触区13、终端电阻14、直流输出块15和共面波导传输线的信号线16，间接热电式微波功率传感器2的金属热偶臂17、半导体热偶臂18、欧姆接触区19、终端电阻20和直流输出块21，SiO₂层22。在高阻硅衬底1上制备一层SiO₂层22，在SiO₂层22上设有共面波导传输线、缝隙结构4、缝隙结构5、功合器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

本发明的基于缝隙结构的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、功合器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所构成的，如附图1所示。采用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耦合共面波导传输线上的微波信号，采用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，将参考信号和该信号采用功合器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缝隙结构4和缝隙结构5，上侧的缝隙结构4耦合的微波信号由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16传输向间接热电式微波功率传感器1，下侧的缝隙结构5由功合器的第一共面波导传输线的信号线8连接着功合器的一个输入端，另一个输入端通过第二共面波导传输线的信号线9连接至参考信号输入端口，功合器的输出端通过第三共面波导传输线的信号线10连接至间接热电式微波功率传感器2。

功合器由地线3、ACPS信号线6、隔离电阻7、第一共面波导传输线的信号线8、第二共面波导传输线的信号线9和第三共面波导传输线的信号线10构成。间接热电式微波功率传感器1由共面波导传输线的信号线16、两个终端电阻14、热电堆1以及直流输出块15所构成，热电堆是由金属热偶臂11和半导体热偶臂12通过欧姆接触区13级联组成。间接热电式微波功率传感器2由共面波导传输线、两个终端电阻20、热电堆以及直流输出块21所构成，热电堆2是由金属热偶臂17和半导体热偶臂18通过欧姆接触区19级联组成。

本发明提供了一种基于缝隙结构的在线式微波相位检测器，待测微波信号从待测微波信号输入端口输入，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，这部分被耦合出的信号拥有与该信号相同的相位。上侧缝隙结构4将耦合出的信号由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16传输向间接热电式微波功率传感器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。由功合器将从参考信号输入端口输入的功率为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，合成后的信号利用间接热电式微波功率传感器2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。

本发明的基于缝隙结构的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、ACPS信号线、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、ACPS信号线的第一层Au、热电堆金属互连线以及输出电极；

13)涂覆光刻胶，光刻去除共面波导传输线、ACPS信号线以及输出电极位置的光刻胶；

14)反刻氮化钽，形成终端电阻；

15)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；

16)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成共面波导传输线、ACPS信号线和输出电极；

17)深反应离子刻蚀(DRIE)共面波导传输线，制作缝隙结构；

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)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传输线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信号来检测待测微波信号的相位大小，从而实现了微波相位的在线式检测；信号的功率检测则采用间接热电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，因此对该微波信号影响不大，该微波信号可以继续在共面波导传输线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基于缝隙结构的在线式微波相位检测器。