专利名称：微电子机械悬臂梁式微波功率自动检测系统及其检测方法和制备方法
技术领域：
本发明属于微电子机械系统技术领域，涉及微波功率检测，为一种微电子机械悬臂梁式微波功率自动检测系统及其检测方法和制备方法。
背景技术：
现代通讯系统需要重量轻、体积小、功耗小和高集成度的电子器件。RF MEMS器件具有线性度佳、隔离度高、驱动功耗低、工作频带宽、截止频率高等优点，并且现在可以与传统IC工艺相兼容，因此RF MEMS器件被寄予了很高的发展期望。现阶段主流的MEMS微波功率传感器的工作原理分为两种终端热偶式和电容式，其中电容式的微波功率测量具有以下优点基本上不损耗主信号线路上的功率、测量的反应速度快。因此，对电容式MEMS微波功率传感器的微波功率检测研究十分有意义。
发明内容
本发明要解决的问题是电容式MEMS微波功率传感器需要实现准确、快速、便捷的微波功率检测。本发明的技术方案为微电子机械悬臂梁式微波功率自动检测系统，包括悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器、功率分配器、终端负载电阻、热电堆和反馈数字电路，悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器包括一个粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器和十个精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器，十一个悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁结构各自具有独立的驱动电极，功率分配器包括一个一分五功率分配器和五个一分二功率分配器，终端负载电阻、热电堆对应于精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器，所有悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器、功率分配器、终端负载电阻和热电堆均设置在砷化镓衬底上，通过共面波导CPW连接，信号输入粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器，粗测用悬臂梁电容式MEMS 微波功率传感器的输出连接一分五功率分配器，一分五功率分配器的每一个输出支路连接一个一分二功率分配器，每一个一分二功率分配器的输出连接精确测量用悬臂梁电容式 MEMS微波功率传感器，每个精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器对应连接有终端负载电阻，以及对应的热电堆，粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的输出同时输入反馈数字电路，反馈数字电路与精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器和热电堆双向连接；其中，粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁宽I与精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器梁宽Wd的关系有两种(1)、Cd <2!(Ζ0ω) ^Wr=IOxWd;⑵、 Q>2/(Z0 ) =i>巧=IOx^，Cd是精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁与中心导线的交叠电容，C；是粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁与中心导线的交叠电容，A是悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器CPW的特征阻抗值，ω是悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器CPW的频率值。上述的微电子机械悬臂梁式微波功率自动检测系统的检测方法，微波信号输入自动检测系统，在粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器上慢慢加直流电压，直至所测的电容变化为初始电容值的1. 5倍时，也就是粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁处于下拉的临界状态，粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器将此时所加的直流电压值，也就是下拉电压V”输入反馈数字电路，反馈数字电路将下拉电压V”的1/·作为加在精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器上的直流电压序列的基准电压，产生出十个精度更高一位，以I/· 序列首的递增执行电压序列，加载在十个精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器上所有精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的下拉电压是一样的!/VlOxFpr= Vp—d⑴=Vp_d(2)=……=Vp_d(W)且十个精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器各自的受到的实际下拉电压vp—d(i)‘为各自所加执行电压d(i)和各自微波功率等效电压Vidii)之和Vpd⑴'=Ve_d(i)+Ve(Ld(i)i是十个精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的编号，取值范围1 10，则经过反馈数字电路调节执行电压序列，精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器中必定会产生一部分传感器的梁被下拉，一部分梁没有被下拉，反馈数字电路检测对应的十个终端负载电阻的反应，得到10个支路的精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的状态，求取其中与没有被下拉传感器毗邻的传感器的微波功率等效电压h
d(i0):^p_d(i) - K — d(i) +Kq — d(i)^eq_d(J0) ~^p_d(J0) ~^e_d(J0)即得到对应支路中的微波功率等效的电压值Vrai d⑽，通过公式
V 2
「00161 P - eg-d(i0) L0016」 ^0·ο)-2χ4χΖο算出此支路上的微波功率值Pavs d⑽，然后将此值乘以10，即得到输入自动检测系统的微波信号的微波功率值pavs—, = Pavsjac0 χ 10。进一步的，测量精度位的量程范围与精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器个数对应，反馈数字电路根据检测精度要求，调节执行电压序列的精度。因为微波功率的测量精度位的量程范围是十位，而本发明的精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器也是十个，所以精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器对应着测量精度位的量程范围，反馈数字电路根据两者的对应关系调节执行电压序列的精度，从而满足微波功率检测精度的要求。微电子机械悬臂梁式微波功率自动检测系统的制备方法，悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器由一个悬臂梁跨接在CPW地线和信号线上，锚区位于其中任意一根地线上， 悬臂梁的悬置端覆盖CPW信号线，位于悬臂梁下方的驱动电极和CPW的信号线都覆盖一层氮化硅介质层；驱动电极的引线穿过CPW地线引出，CPW地线的断开处用空气桥相连接；功率分配器均由Wilkinson功率分配器构成，通过CPW相连接；终端负载电阻由两个电阻值为100 Ω的TaN材料形成的电阻块跨接在CPW的地线和信号线之间形成；热电堆是有一组具效应的电阻串联而成，每个单独的电阻是由金质热偶臂和轻掺杂的砷化镓热偶臂串联而成，制备工艺为1)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+砷化镓的掺杂浓度为1018cnT3，其方块电阻值为100 130 Ω / □；2)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；3)反刻N+砷化镓，形成其掺杂浓度为1017cm_3的热电堆的半导体热偶臂；4)光刻和溅射TaN，剥离，形成终端负载电阻以及一分五功率分配器和一分二功率分配器的隔离电阻，即TaN薄膜电阻；5)光刻去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；6)溅射金锗镍/金，其厚度共为2700A;7)剥离，形成热电堆的金属热偶臂；8)光刻去除在悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的CPW、梁结构和静电驱动电极以及其引线，一分五功率分配器和一分二功率分配器CPW基础图形上的光刻胶；9)溅射金剥离去除光刻胶；形成悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的CPW、梁结构和静电驱动电极以及其引线，一分五功率分配器和一分二功率分配器CPW基础图形， 金的厚度为0.3μπι;10)淀积氮化硅介质层；用等离子体增强化学气相淀积法工艺生长1000Α的氮化硅介质层；11)光刻并刻蚀氮化硅介质层；保留静电驱动电极的氮化硅和空气桥下方驱动电极引线的上的氮化硅；12)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层；在砷化镓衬底上涂覆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梁与氮化硅介质层所在平面的距离，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留梁下方和空气桥下方的牺牲层；13)溅射钛/金/钛；溅射用于CPW、梁结构、梁和空气桥的底金钛/金/钛= 500/1600/300 A,14)光刻钛/金/钛；去除CPW、梁结构和空气桥以外的光刻胶，15)电镀金；电镀金的厚度为2 μ m，16)去除光刻胶；17)反刻金层，腐蚀底金层，形成CPW、梁结构、梁和空气桥；18)释放牺牲层；用显影液溶解梁结构和空气桥下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的梁结构和空气桥。本发明提供了一种新的，准确、快速、便捷的微波功率检测系统，以及其检测方法和制备方法，与现有的普通的微波功率测量系统以及MEMS微波功率测量系统测试结构相比，本发明的微电子机械微波功率自动检测系统结构具有以下有益效果1、运用十个分支结构细化量程，根据本发明系统的工作原理分析，可以看出本发明具有更加精细和精确的测量结果；2、设置的反馈数字电路使测量的过程更为简单快速，而且不需要额外的测量仪器；3、可以根据测试的要求调节精度。
图1为本发明微电子机械微波功率自动检测系统结构示意图。图2为本发明中悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器梁结构的正面俯视图，以及对应的A-A面的剖视图。图3为本发明中一分五功分器正面的俯视图。图4为本发明中一分二功分器正面的俯视图。图5为本发明中终端负载电阻和热电堆正面的俯视图。
具体实施例方式本发明包括以下部分悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器、功率分配器、终端负载电阻、热电堆和控制用的反馈数字电路。其中悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器与现有的传感器结构相同，整个微波功率检测系统除了控制用的反馈数字电路由商用数字集成电路构成以外，其他部分均以砷化稼为衬底，在衬底上设有共面波导(CoplanarWaveguide，简称CPW)组成的功分器、终端负载电阻、热电堆和电容式MEMS微波功率传感器结构，CPW用于实现功分器、悬臂梁结构和测试仪器之间的电路连接。如图1，本发明微电子机械微波功率自动检测系统包括悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器、功率分配器、终端负载电阻E、热电堆F和反馈数字电路G，悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器包括一个粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器A和十个精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器D，功率分配器包括一个一分五功率分配器B和五个一分二功率分配器C，终端负载电阻E、热电堆F对应于精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器D，所有悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器、功率分配器、终端负载电阻和热电堆均设置在砷化镓衬底上，通过共面波导CPW连接，信号输入粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器A，粗测用悬臂梁电容式MEMS 微波功率传感器A的输出连接一分五功率分配器B，一分五功率分配器B的每一个输出支路连接一个一分二功率分配器C，每一个一分二功率分配器C的输出连接精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器D，每个精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器D对应连接有终端负载电阻E，以及对应的热电堆F，粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器A 的输出同时输入反馈数字电路G，反馈数字电路G与精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器D和热电堆F连接；其中，十个精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的结构式完全相同，粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁宽I与精确测量用悬臂梁电容式 MEMS微波功率传感器梁宽Wd的关系有两种(l)、Cd<2/(ZQ ) =i> Wr=IOxWd ； (2), Q>2/(Z0 ) =i>巧=IOx^，Cd是精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁与中心导线的交叠电容，C；是粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁与中心导线的交叠电容，Z0是电容式MEMS微波功率传感器CPW的特征阻抗值，ω是电容式MEMS微波功率传感器CPW的频率值。
下面以做具体说明。如图2-5，悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器由一个悬臂梁5跨接在CPW地线3 和信号线2上，锚区6位于其中任意一根地线3上，悬臂梁的悬置端覆盖CPW信号线2，，位于悬臂梁下方的驱动电极7和CPW的信号线都覆盖一层氮化硅介质层4 ；驱动电极7的引线穿过CPW地线3引出，CPW地线3的断开处用空气桥9相连接；功率分配器均由Wilkinson 功率分配器构成，通过CPW相连接；终端负载电阻由两个电阻值为100Ω的TaN材料形成的电阻块跨接在CPW的地线3和信号线2之间形成；热电堆是有一组具有keback效应的电阻串联而成，每个单独的电阻是由金质热偶臂11和轻掺杂的砷化镓热偶臂12串联而成。本发明粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁宽I与精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器梁宽Wd的关系原理分析如下
权利要求
1.微电子机械悬臂梁式微波功率自动检测系统，其特征是包括悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器、功率分配器、终端负载电阻、热电堆和反馈数字电路，悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器包括一个粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器和十个精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器，十一个悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁结构各自具有独立的驱动电极，功率分配器包括一个一分五功率分配器和五个一分二功率分配器， 终端负载电阻、热电堆对应于精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器，所有悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器、功率分配器、终端负载电阻和热电堆均设置在砷化镓衬底上，通过共面波导CPW连接，信号输入粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器，粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的输出连接一分五功率分配器，一分五功率分配器的每一个输出支路连接一个一分二功率分配器，每一个一分二功率分配器的输出连接精确测量用悬臂梁电容式MEMS 微波功率传感器，每个精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器对应连接有终端负载电阻，以及对应的热电堆，粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的输出同时输入反馈数字电路，反馈数字电路与精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器和热电堆双向连接；其中，粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁宽I与精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器梁宽Wd的关系有两种(1) Χ <2!(Ζ0ω) ^Wr= IOxWd ；⑵、 Q>2/(Z0 ) =i>巧=IOx^，Cd是精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁与中心导线的交叠电容，C；是粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的梁与中心导线的交叠电容，A是悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器CPW的特征阻抗值，ω是悬臂梁电容式MEMS 微波功率传感器CPW的频率值。
2.权利要求1所述的微电子机械悬臂梁式微波功率自动检测系统的检测方法，其特征是微波信号输入自动检测系统，在粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器上慢慢加直流电压，直至所测的电容变化为初始电容值的1.5倍时，也就是粗测用悬臂梁电容式MEMS 微波功率传感器的梁处于下拉的临界状态，粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器将此时所加的直流电压值，也就是下拉电压V”输入反馈数字电路，反馈数字电路将下拉电压 Vp_r的1/λ/ 万作为加在精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器上的直流电压序列的基准电压，产生出十个精度更高一位，以Fp"为序列首的递增或递减执行电压序列， 加载在十个精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器上所有精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的下拉电压是一样的
3.根据权利要求2所述的微电子机械悬臂梁式微波功率自动检测系统的检测方法， 其特征是测量精度位的量程范围与精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器个数对应，反馈数字电路根据检测精度要求，调节执行电压序列的精度。
4.权利要求1所述的微电子机械悬臂梁式微波功率自动检测系统的制备方法，其特征是悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器由一个悬臂梁(5)跨接在CPW地线(3)和信号线(2) 上，锚区(6)位于其中任意一根地线(3)上，悬臂梁的悬置端覆盖CPW信号线0)，位于悬臂梁下方的驱动电极(7)和CPW的信号线都覆盖一层氮化硅介质层；驱动电极(7)的引线穿过CPW地线(3)引出，CPW地线(3)的断开处用空气桥(9)相连接；功率分配器均由Wilkinson功率分配器构成，通过CPW相连接；终端负载电阻由两个电阻值为100 Ω的 TaN材料形成的电阻块跨接在CPW的地线(3)和信号线(2)之间形成；热电堆是有一组具效应的电阻串联而成，每个单独的电阻是由金质热偶臂(11)和轻掺杂的砷化镓热偶臂(12)串联而成，制备工艺为1)准备砷化镓衬底(1)选用外延的半绝缘砷化镓衬底(1)，其中外延N+砷化镓的掺杂浓度为1018cnT3，其方块电阻值为100 130 Ω / □；2)光刻并隔离外延的N+砷化镓，形成热电堆的半导体热偶臂(12)的图形和欧姆接触区；3)反刻N+砷化镓，形成其掺杂浓度为1017cm_3的热电堆的半导体热偶臂(12)；4)光刻和溅射TaN，剥离，形成终端负载电阻以及一分五功率分配器和一分二功率分配器的隔离电阻(10)，即TaN薄膜电阻；5)光刻去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；6)溅射金锗镍/金，其厚度共为2700A;7)剥离，形成热电堆的金属热偶臂(11)；8)光刻去除在悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的CPW、梁结构和静电驱动电极 (7)以及其引线，一分五功率分配器和一分二功率分配器CPW基础图形上的光刻胶；9)溅射金剥离去除光刻胶；形成悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的CPW、梁结构和静电驱动电极(7)以及其引线，一分五功率分配器和一分二功率分配器CPW基础图形，金的厚度为0. 3 μ m ；10)淀积氮化硅介质层；用等离子体增强化学气相淀积法工艺生长1000A的氮化硅介质层⑷；11)光刻并刻蚀氮化硅介质层⑷保留静电驱动电极(7)的氮化硅⑷和空气桥(9) 下方驱动电极引线(8)的上的氮化硅介质层；12)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层；在砷化镓衬底上涂覆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梁与氮化硅介质层(4)所在平面的距离，光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留梁下方和空气桥(9)下方的牺牲层；13)溅射钛/金/钛；溅射用于CPW、梁结构、梁和空气桥(9)的底金钛/金/钛= 500/1600/300 A；14)光刻钛/金/钛；去除CPW、梁结构和空气桥(9)以外的光刻胶；15)电镀金电镀金的厚度为2μ m ；16)去除光刻胶；17)反刻金层，腐蚀底金层，形成CPW、梁结构、梁和空气桥(9)；18)释放牺牲层；用显影液溶解梁结构和空气桥(9)下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成悬浮的梁结构和空气桥(9)。
全文摘要
微电子机械悬臂梁式微波功率自动检测系统及其检测方法和制备方法，检测系统包括一个粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器、十个精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器、功率分配器、终端负载电阻、热电堆和控制用的反馈数字电路，反馈数字电路根据粗测用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的粗测结果产生一个基准电压，并衍生出十个精度更高一位，以粗测结果的为序列首的递增执行电压序列，参考终端负载电阻的反应，根据临界的下拉精确测量用悬臂梁电容式MEMS微波功率传感器的执行电压，计算出十个支路的总微波功率的值。本发明提出一种新的微电子机械微波功率自动检测系统及检测方法和制备方法，实现对微波功率的精确检测。
文档编号B81C1/00GK102175909SQ20111005505
公开日2011年9月7日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者廖小平, 朱政 申请人:东南大学