固支梁耦合在线式微波相位检测器的制作方法

本发明提出了固支梁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：

随着雷达技术的发展，特别是在相控阵雷达、相控阵天线及加速器等较新技术出现以后，相移量的测量显得日趋重要。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耦合在线式微波相位检测器，本发明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的检测。

技术方案：固支梁耦合在线式微波相位检测器，在高阻硅衬底上制作SiO₂层，在SiO₂层上设有共面波导传输线、固支梁结构、功合器以及直接加热式微波功率传感器1和直接加热式微波功率传感器2，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，所述的固支梁结构由固支梁、第一锚区和第二锚区构成；固支梁结构悬于共面波导传输线的信号线的介质层上方，固支梁结构的第一锚区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连接直接加热式微波功率传感器1，固支梁结构的第二锚区通过功合器的第一共面波导传输线的信号线连接功合器的输入端，功合器的另一个输入端通过功合器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，功合器的输出端通过功合器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。

功合器包括不对称共面带线ACPS信号线、共面波导传输线的信号线和隔离电阻，用于微波信号功率合成，功合器的输入端和输出端之间为不对称的共面带线ACPS信号线，隔离电阻设置在两个输入端之间。

直接加热式微波功率传感器包括终端电阻、半导体热电偶臂、直流输出块、隔绝直流电容和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的大小，并以直流输出电压的形式显示检测结果。

本发明提供了一种固支梁耦合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，固支梁结构的一端锚区连接直接加热式微波功率传感器1检测功率大小，另一端耦合信号输入功合器与参考信号进行矢量合成。合成后的信号利用直接加热式微波功率传感器2来检测合成功率的大小，根据直接加热式微波功率传感器1直流输出电压的大小，推断出待测信号的相位。本发明的固支梁耦合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：本发明是固支梁耦合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，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为本发明的固支梁耦合在线式微波相位检测器俯视图；

图2为图1固支梁耦合在线式微波相位检测器的A-A’剖面图；

图3为图1固支梁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，固支梁结构的的悬臂梁4、第一锚区5，第二锚区6，绝缘介质层7，功合器的隔离电阻8、ACPS信号线9、第一共面波导传输线的信号线10、第二共面波导传输线的信号线11、第三共面波导传输线的信号线12，直接加热式微波功率传感器1的终端电阻13、半导体热电偶臂14、直流输出块15、隔绝直流电容16、共面波导传输线的信号线17，直接加热式微波功率传感器2的终端电阻18、半导体热电偶臂19、直流输出块20、隔绝直流电容21，SiO2层22。在高阻硅衬底1上制备一次SiO2层22，在SiO2层22上设有共面波导传输线、固支梁结构、功合器以及直接加热式微波功率传感器1和直接加热式微波功率传感器2。

具体实施方式

本发明的固支梁耦合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22，在SiO₂层22上设有共面波导传输线、固支梁结构、功合器以及直接加热式微波功率传感器1和直接加热式微波功率传感器2。共面波导传输线作为本发明相位检测器的信号传输线，由共面波导传输线的信号线2和地线3构成。

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；固支梁结构由固支梁4、第一锚区5和第二锚区6构成。

直接加热式微波功率传感器1包括终端电阻13、半导体热电偶臂14、直流输出块15、隔绝直流电容1和共面波导传输线的信号线17；直接加热式微波功率传感器2包括终端电阻18、半导体热电偶臂19、直流输出块20和隔绝直流电容21。

功合器包括隔离电阻8、ACPS信号线9、第一共面波导传输线的信号线10、第二共面波导传输线的信号线11和第三共面波导传输线的信号线12组成。

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耦合出小部分微波信号，并且分别由固支梁结构上端的第一锚区5和下端的第二锚区6输出。上端固支梁的第一锚区锚区5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17将耦合微波信号输向直接加热式微波功率传感器1，并检测出其功率P₁；下端固支梁的第二锚区6通过功合器的第一共面波导传输线的信号10线将耦合微波信号输向功合器，其通过功合器与从功合器的第二共面波导传输线的信号线11输入的功率为P₂的参考信号矢量合成，合成后的信号通过功合器的第三共面波导传输线的信号线12传输向直接加热式微波功率传感器2检测得功率为P₃。记待测微波信号和参考信号的相位差为则经功合器输出的合成信号的功率P₃与相位差存在余弦函数系：

基于公式(1)最终可以推导出:

同时，由于固支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。

本发明的固支梁耦合在线式微波相位检测器的具体实施方案如下：

如图1，高阻硅衬底1，共面波导传输线的信号线2、地线3，固支梁结构的的悬臂梁4、第一锚区5，第二锚区6，绝缘介质层7，功合器的隔离电阻8、ACPS信号线9、第一共面波导传输线的信号线10、第二共面波导传输线的信号线11、第三共面波导传输线的信号线12，直接加热式微波功率传感器1的终端电阻13、半导体热电偶臂14、直流输出块15、隔绝直流电容16、共面波导传输线的信号线17，直接加热式微波功率传感器2的终端电阻18、半导体热电偶臂19、直流输出块20、隔绝直流电容21，SiO2层22。在高阻硅衬底1上制备一次SiO2层22，在SiO2层22上设有共面波导传输线、固支梁结构、功合器以及直接加热式微波功率传感器1和直接加热式微波功率传感器2。

本发明的固支梁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，形成隔离电阻和终端电阻；

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隔离电阻和终端电阻；

6)涂覆一层光刻胶，光刻去除共面波导传输线、ACPS信号线以及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)淀积(LPCVD)一层Si₃N₄，厚度为0.1mm；

9)涂覆一层光刻胶，光刻并保留隔绝直流电容和固支梁下方的光刻胶，干法刻蚀Si₃N₄，形成Si₃N₄介质层；

10)均匀涂覆一层聚酰亚胺并光刻图形，厚度为2mm，保留固支梁下方的聚酰亚胺作为牺牲层；

11)涂覆光刻胶，光刻去除固支梁、固支梁锚区、共面波导传输线、ACPS信号线、隔绝直流电容以及输出电极位置的光刻胶；

12)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；

13)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成固支梁、固支梁锚区、共面波导传输线、ACPS信号线、隔绝直流电容上极板和输出电极；

14)深反应离子刻蚀(DRIE)衬底材料背面，制作半导体热偶臂下方的薄膜结构；

15)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除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：

本发明的固支梁耦合在线式微波相位检测器采用固支梁耦合微波信号，具有两个直接加热式微波功率传感器和一个功合器。当待测微波信号通过共面波导传输线时，固支梁耦合出小部分微波信号，并且分别由固支梁结构的两端锚区输出。上端锚区通过共面波导信号线将耦合微波信号输向直接加热式微波功率传感器；下端锚区通过共面波导信号线将耦合微波信号输向功合器，其通过功合器与参考信号矢量合成，合成信号的功率与参考信号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耦合在线式微波相位检测器。