专利名称：Mems悬臂梁式在线微波功率传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及微电子机械(以下简称MEMS)，尤其涉及MEMS悬臂梁式在线微波功率 传感器及其制备方法。
背景技术：
在微波技术研究中，微波功率是表征微波信号特征的一个重要参数，微波功率的 测量在无线技术应用中具有重要的地位。现有的微波功率传感器是基于二极管、热敏电阻 和热电堆的终端功率传感器，它们具有低损耗和高灵敏度的优点，然而其最大的缺点是在 测量微波功率时完全消耗输入信号功率。随着微电子技术的发展，现代个人通信系统和雷 达系统不仅要求微波功率传感器在功率测量过程时微波信号仍是可用的，即在线微波功率 测量，而且对微波功率传感器提出了更多功能的要求，如实现监测和不监测两种状态以及 多耦合度在线功率传感器的集成。近年来，随着MEMS技术的快速发展，并对MEMS悬臂梁结 构进行了深入的研究，使基于MEMS技术实现上述功能的悬臂梁式三耦合度的在线微波功 率传感器成为可能。
发明内容
发明目的为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于MEMS技术的悬 臂梁式三耦合度的在线微波功率传感器及制备方法，通过控制MEMS悬臂梁驱动电压，使该 微波功率传感器实现监测和不监测两种状态；通过设计不同宽度和长度的MEMS悬臂梁，来 改变这些MEMS悬臂梁耦合度的大小，实现不同耦合度的在线微波功率传感器的集成。技术方案为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器，包括砷化镓衬底、CPW(共面波导),MEMS 悬臂梁式结构和终端微波功率监测系统所述CPW包括主线CPW信号线、副线CPW信号线和 CPff地线，所述主线CPW信号线和CPW地线构成主线CPW，所述副线CPW信号线和CPW地线 构成副线CPW ；所述MEMS悬臂梁式结构包括悬臂梁和锚区，所述悬臂梁横跨在主线CPW信 号线的上方，悬臂梁的固定端固定在锚区上，所述锚区通过副线CPW信号线而不是CPW地线 与终端微波功率监测系统相连接；所述悬臂梁结构下方设有驱动电极。所述CPW主要用于实现微波信号的传输，采用金材料。通过主线CPW实现对待测功 率的微波信号的输入和输出，通过副线CPW实现由悬臂梁结构耦合出一定比例的主线CPW 微波功率到终端微波功率监测系统上。通过对悬臂梁的宽度和长度的设定，可以设计出不同的耦合度值(即副线CPW从 主线CPW中耦合到的微波功率百分比)。通过对驱动电极的供电与否控制可以实现对悬臂梁DOWN或UP状态的控制，当悬 臂梁处于UP状态时，即悬臂梁与主线CPW信号线无接触，此时悬臂梁从主线CPW几乎不耦 合微波功率到副线CPW中去，从而不对主线CPW进行功率监测；当悬臂梁处于DOWN状态时， 即悬臂梁与CPW信号线有接触，此时悬臂梁从主线CPW耦合相应比例微波功率到副线CPW中去，从而对主线CPW进行功率监测。所述悬臂梁式结构的个数为三个，采用金材料。不同悬臂梁式结构的悬臂梁宽度 和长度可以不同，通过各悬臂梁宽度和长度的不同可以实现不同的耦合度，每一个悬臂梁 式结构有各自独立的驱动电极。一般副线CPW信号线的输入端部分和相应的主线CPW信号线成垂直关系。所述悬臂梁下方的主线CPW信号线和驱动电极表面覆盖有氮化硅介质层。所述CPW地线被隔断的地方可以通过空气桥实现连接。所述终端微波功率监测系统包括终端电阻和吸收终端电阻热量的热电堆，所述副 线CPW信号线的输出端连接终端电阻，热电堆靠近终端电阻，但不与终端电阻相连接。终端电阻采用氮化钽材料制成，吸收由MEMS悬臂梁从主线CPW上耦合到副线CPW 上的微波功率，并完全转化为热量，靠近终端电阻的热电堆的一端(即热端)吸收到这种热 量后，引起吸收端温度的升高，远离终端电阻的热电堆的一端(即冷端)仍然保持环境温 度，由于两端温度不同，根据Seebeck效应，产生热电势的输出，实现对微波功率的监测。所述热电堆可由四个热电偶组成，所述热电偶包括半导体热偶臂和金属热偶臂， 采用金和轻掺杂的砷化镓材料构成。为了提高热量由终端电阻向热电堆的热端传输的效率，进而提高热电堆两端的温 差，以提高微波功率传感器的灵敏度，可以将终端电阻和热电堆的热端下方的砷化镓衬底 刻蚀减薄，形成衬底膜结构。终端电阻和热电堆被氮化硅介质层覆盖，其作用是保护终端电 阻与副线CPW输出端以及热电堆的电路连接。一种制备MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器的方法，所述方法包括如下步骤A、准备砷化镓衬底选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N+砷化镓的掺杂为 重掺杂，一般浓度大于等于IO18CnT3 ；B、光刻并隔离外延的N+砷化镓，形成热电堆的半导体热偶臂的图形和欧姆接触 区；C、反刻由热电堆的半导体热偶臂的图形组成的N+砷化镓，形成轻掺杂(一般浓度 在IO18CnT3以下)的热电堆的半导体热偶臂；D、光刻去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；E、溅射金锗镍/金；F、剥离，形成热电堆的金属热偶臂；G、光刻去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；H、溅射氮化钽；I、剥离；J、光刻去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；K、蒸发第一层金；L、剥离，形成主线CPW和副线CPW，锚区和驱动电极；M、反刻氮化钽，形成与副线CPW信号线输出端相连接的终端电阻，其方块电阻为 25 Ω / □；N、淀积氮化硅用等离子体增强型化学气相淀积法工艺生长氮化硅介质层；0、光刻并刻蚀氮化硅介质层保留悬臂梁下方主线CPW信号线和驱动电极、终端电阻以及热电堆上的氮化硅；P、淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层在砷化镓衬底上涂覆聚酰亚胺牺牲层；光刻聚酰 亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁下方的牺牲层；Q、蒸发钛/金/钛蒸发用于电镀的底金；R、光刻去除要电镀地方的光刻胶；S、电镀金；T、去除光刻胶去除不需要电镀地方的光刻胶；U、反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成主线CPW和副线CPW以及MEMS悬臂梁；V、将该砷化镓衬底背面减薄，一般在50 μ m和200 μ m范围内；W、背面光刻去除在砷化镓背面形成膜结构地方的光刻胶；X、刻蚀减薄终端电阻和热电堆的热端下方的砷化镓衬底，形成膜结构；Y、释放聚酰亚胺牺牲层显影液浸泡，去除MEMS悬臂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。有益效果本发明提供的MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器，不但具有终端式微 波功率传感器的优点，如低损耗和高灵敏度，而且具有在线微波功率测量、实现监测和不 监测两种状态、多种耦合度的在线微波功率传感器的集成以及与砷化镓单片微波集成电路 兼容的优点。
图1为本发明的结构示意图；图2为图1中I部的放大示意图；图3为图2中A-A向剖面图；图4为图1中II部的放大示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。如图1、2、3和4所示为一种MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器，在砷化镓衬底1 上设有CPW、三个MEMS悬臂梁式结构和由终端电阻13与热电堆构成的终端微波功率监测系 统6。CPff包括主线CPW信号线7、副线CPW信号线8和CPW地线9，所述主线CPW信号 线7和CPW地线9构成主线CPW，所述副线CPW信号线8和CPW地线9构成副线CPW，被隔 断的地线9通过空气桥17相连接。所述MEMS悬臂梁式结构包括悬臂梁3和锚区12，所述悬臂梁3横跨在主线CPW信 号线7的上方，悬臂梁3的固定端固定在锚区12上，所述锚区12通过副线CPW信号线8而 不是CPW地线9与终端电阻13相连接，副线CPW信号线8的输入端部分和相应的主线CPW 信号线7成垂直关系。驱动电极10设置在悬臂梁3下方，每一个悬臂梁式结构下方设有各 自独立的驱动电极10，驱动电极10通过压焊块18提供电驱动。悬臂梁3下方的主线CPW 信号线7和驱动电极10被氮化硅介质层11覆盖。通过设计三种不同宽度和长度的悬臂梁结构3，可以设定悬臂梁3在DOWN态时耦合度的大小，而悬臂梁3在UP态时，几乎没有功率从主线CPW耦合出来；通过悬臂梁3的驱 动电极10供电与否用来控制悬臂梁结构是否处于DOWN或UP状态，相应主线CPW上一定比 例功率是否被悬臂梁耦合出来。终端电阻13能够完全吸收由悬臂梁3从主线CPW上耦合到副线CPW上的微波功 率，并转换为热量。由半导体热偶臂14和金属热偶臂15构成的热电堆靠近终端电阻13，但 不与终端电阻13连接；热电堆靠近终端电阻13的热端吸收这种热量，并引起该端温度的升 高，而热电堆冷端的温度仍保持为环境温度，由于热电堆热冷两端温度的不同，可产生热电 势的输出。为了提高热量由终端电阻13向热电堆的热端的传输效率进而提高热电堆两端 的温差，以提高微波功率传感器的灵敏度，可以将终端电阻13和热电堆热端下方的砷化 镓衬底刻蚀减薄成衬底的膜结构16。终端电阻13和热电堆被氮化硅介质层11覆盖，其作 用是保护终端电阻13与副线CPW输出端以及热电堆的电路连接。本发明的在线微波功率传感器通过设计三种不同宽度和长度的悬臂梁结构3，而 相应梁下方主线CPW信号线7的宽度不变，设计了耦合度大小分别为1%、5%和10%的三 种耦合度的微波功率传感器，并实现了三种耦合度的在线微波功率传感器的集成。待测的 微波信号2在主线CPW上传输，当三个悬臂梁式结构的驱动电极10均未施加驱动电压，则 这三种悬臂梁式结构均处于UP状态，待测微波信号功率没有被悬臂梁式结构从主线CPW上 耦合出一定比例到副线CPW上，此时的微波功率传感器处于不监测状态。当耦合度为的 悬臂梁式结构的驱动电极10被施加驱动电压，耦合度为5 %和10 %的悬臂梁式结构均未被 施加驱动电压，那么耦合度为1 %的悬臂梁3处于DOWN状态，则待测微波信号功率被耦合度 为1 %悬臂梁式结构从主线CPW上耦合一定比例到副线CPW上，耦合出来的功率大小占待测 微波信号功率的1%，然而耦合度为5%和10%的悬臂梁式结构因均未施加驱动电压而均 没有把待测微波信号功率从主线CPW上耦合出相应比例到副线CPW上，在耦合度为1 %的悬 臂梁式结构连接的副线CPW上的微波功率完全被其相应的终端电阻13吸收转为热量，靠近 该终端电阻13的热电堆吸收到这种热量，引起热电堆的热冷两端存在温差，从而在热电堆 上产生热电势的输出，实现待测微波信号功率的间接测量，因此耦合度为的悬臂梁式结 构在线微波功率传感器处于监测状态；同理，可分别实现耦合度为5%或10%的悬臂梁式 结构在线微波功率传感器处于监测状态。制备上述MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器的方法如下A、准备砷化镓衬底1 选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N+砷化镓的掺杂 浓度为IO1V3,其方块电阻值为100 130 Ω / □；B、光刻并隔离外延的N+砷化镓，形成热电堆的半导体热偶臂14的图形和欧姆接 触区；C、反刻由热电堆的半导体热偶臂14的图形组成的N+砷化镓，形成掺杂浓度为 IO17Cm-3的热电堆的半导体热偶臂14 ；D、光刻去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；E、溅射金锗镍/金，其厚度共为2700A;F、剥离，形成热电堆的金属热偶臂15 ；G、光刻去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；H、溅射氮化钽，使其厚度为Iym;
I、剥离；J、光刻去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；K、蒸发第一层金，使其厚度为0. 3 μ m ；L、剥离，形成主线CPW和副线CPWJSg 12和驱动电极10 ；M、反刻氮化钽，形成与副线CPW信号线8输出端相连接的终端电阻13，其方块电阻 为 25Ω / □；N、淀积氮化硅用等离子体增强型化学气相淀积法工艺生长1000A厚的氮化硅介 质层11 ；0、光刻并刻蚀氮化硅介质层11 保留悬臂梁3下方主线CPW信号线7和驱动电极 10、终端电阻13以及热电堆上的氮化硅11 ；P、淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层在砷化镓衬底1上涂覆1. 6 μ m厚的聚酰亚胺牺牲 层；要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了 MEMS悬臂梁3与其下方在主线CPW的信 号线7上氮化硅介质层11之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁3下方的牺牲 层；Q、蒸发钛/金/钛，使其厚度为500/1500/ 300A:蒸发用于电镀的底金；R、光刻去除要电镀地方的光刻胶；S、电镀金，其厚度为2μπι;Τ、去除光刻胶去除不需要电镀地方的光刻胶；U、反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成主线CPW和副线CPW以及MEMS悬臂梁3 ；V、将该砷化镓衬底1背面减薄至100 μ m ；W、背面光刻去除在砷化镓背面形成膜结构16地方的光刻胶；X、刻蚀减薄终端电阻13和热电堆的热端下方的砷化镓衬底，形成膜结构16 刻蚀 了 80 μ m的衬底厚度，保留20 μ m的膜结构；Y、释放聚酰亚胺牺牲层显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁3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。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
权利要求
一种MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器，其特征在于所述微波功率传感器包括砷化镓衬底(1)、CPW、MEMS悬臂梁式结构和终端微波功率监测系统(6)；所述CPW包括主线CPW信号线(7)、副线CPW信号线(8)和CPW地线(9)，所述主线CPW信号线(7)和CPW地线(9)构成主线CPW，所述副线CPW信号线(8)和CPW地线(9)构成副线CPW；所述MEMS悬臂梁式结构包括悬臂梁(3)和锚区(12)，所述悬臂梁(3)横跨在主线CPW信号线(7)的上方，悬臂梁(3)的固定端固定在锚区(12)上，所述锚区(12)通过副线CPW信号线(8)与终端微波功率监测系统(6)相连接；所述悬臂梁式结构下方设有驱动电极(10)。
2.根据权利要求1所述的MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器，其特征在于所述悬臂 梁式结构的个数为三个。
3.根据权利要求1所述的MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器，其特征在于所述悬臂 梁下方的主线CPW信号线(7)和驱动电极(10)表面覆盖有氮化硅介质层(11)。
4.根据权利要求1所述的MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器，其特征在于所述终端 微波功率监测系统(6)包括终端电阻(13)和吸收终端电阻(13)热量的热电堆，所述副线 CPW信号线⑶的输出端连接终端电阻(13)。
5.根据权利要求1所述的MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器，其特征在于所述热电 堆由四个热电偶构成，所述热电偶包括半导体热偶臂(14)和金属热偶臂(15)。
6.一种制备权利要求1所述的MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器的方法，其特征在 于所述方法包括如下步骤A、准备砷化镓衬底(1)选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N+砷化镓的掺杂在 IO18cnT3 以上；B、光刻并隔离外延的N+砷化镓，形成热电堆的半导体热偶臂(14)的图形和欧姆接触区；C、反刻由热电堆的半导体热偶臂(14)的图形组成的N+砷化镓，形成N+砷化镓掺杂浓 度在IO18CnT3以下的热电堆的半导体热偶臂(14)；D、光刻去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；E、溅射金锗镍/金；F、剥离，形成热电堆的金属热偶臂(15)；G、光刻去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；H、溅射氮化钽；I、剥离；J、光刻去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；K、蒸发第一层金；L、剥离，形成主线CPW和副线CPWJgg (12)和驱动电极(10)；M、反刻氮化钽，形成与副线CPW信号线⑶输出端相连接的终端电阻(13)，其方块电阻 为 25Ω / □；N、淀积氮化硅用等离子体增强型化学气相淀积法工艺生长氮化硅介质层(11)；O、光刻并刻蚀氮化硅介质层(11)保留悬臂梁(3)下方主线CPW信号线(7)和驱动电 极(10)、终端电阻(13)以及热电堆上的氮化硅(11)；P、淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层在砷化镓衬底(1)上涂覆聚酰亚胺牺牲层；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留悬臂梁(3)下方的牺牲层； Q、蒸发钛/金/钛蒸发用于电镀的底金； R、光刻去除要电镀地方的光刻胶； S、电镀金；T、去除光刻胶去除不需要电镀地方的光刻胶；U、反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成主线CPW和副线CPW以及MEMS悬臂梁(3)； V、将该砷化镓衬底(1)背面减薄至50 μ m和200 μ m范围内； W、背面光刻去除在砷化镓背面形成膜结构(16)地方的光刻胶； X、刻蚀减薄终端电阻(13)和热电堆的热端下方的砷化镓衬底，形成膜结构(16)； Y、释放聚酰亚胺牺牲层显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁(3)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。
全文摘要
本发明公开了一种MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器及其制备方法，所述微波功率传感器包括砷化镓衬底、主线CPW、副线CPW、MEMS悬臂梁式结构和终端微波功率监测系统；所述MEMS悬臂梁式结构包括悬臂梁和锚区，悬臂梁横跨在主线CPW信号线上方，悬臂梁的固定端固定在锚区上，锚区通过副线CPW信号线与终端微波功率监测系统相连接；所述悬臂梁结构下方设有驱动电极。本发明提供的MEMS悬臂梁式在线微波功率传感器，不但具有终端式微波功率传感器的优点，如低损耗和高灵敏度，而且具有在线微波功率测量、实现监测和不监测两种状态、多种耦合度的在线微波功率传感器的集成以及与砷化镓单片微波集成电路兼容的优点。
文档编号B81B3/00GK101915870SQ20101022380
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者廖小平, 张志强 申请人:东南大学