专利名称：微电子机械可重构宽频带微波功率传感器及其制备方法
技术领域：
本发明是利用可重构天线接收不同频段的微波功率，将微波功率通过共面波 导传输给终端负载电阻，使用热电堆测量电阻的发热量并转换为热电势输出，从而实现微波功率的测量，属于微电子机械系统领域。
技术背景在微波研究中，微波功率是表征微波信号特征的一个重要参数。在微波无线 应用和测量技术中，微波功率的探测是一个非常重要的部分。传统的功率计采用 波导形式的功率传感器，以铋一锑作为热电偶，釆用同轴电缆等微波传输线作为 微波信号的输入连接装置，不能实现微波功率的直接接收。近20多年来，随着微电子机械系统(MEMS)技术的飞速发展，国外提出了基 于此技术的终端加热式微波功率传感器，原理是利用终端电阻吸收输入待测的微 波功率而发热，并通过放置在微波终端电阻附近的热电偶探测终端电阻附近的温差得到微波功率的大小，这种类型的微波功率传感器具有结构简单、体积小、性 能较为优良、与硅(Si)工艺或砷化镓(GaAs)工艺相兼容等优点，本发明即为 基于此工作原理的传感器。发明内容技术问题:本发明的目的是提供一种微电子机械可重构宽频带微波功率传感 器及其制备方法，该传感器能够直接接收外界微波信号，并能够改变接收频率， 利用传感器前端的共面波导天线接收信号，并通过微机械电容式串联开关来控制 天线的形状，来改变接收频率，从而大大提高微波功率测量的灵活性。技术方案微电子机械可重构宽频带微波功率传感器以砷化镓为衬底，待测 的微波信号通过前端的可重构共面波导天线引入，可重构共面波导天线与共面波 导传输线连接，微机械电容式串联开关控制共面波导天线的形状，通过开关的开
启与闭合形成了四种不同的天线形状，从而使传感器可以分别接收1.5GHz 2. 4GHz、 2. lGHz 2. 9GHz、 2. 3GHz 4. 0GHz和3. 0GHz 4. 5GHz四个频率段上的微 波信号，在共面波导传输线的终端接有与其特性阻抗相匹配的负载电阻，使由共 面波导天线接收的微波信号有效的转化为热量，该热量使放置在终端电阻附近的 一组串联热电偶形成的热电堆的一端(热端)温度升高，从而与另一端(冷端) 形成温差，因此，热电堆由于塞贝克效应会在其两端产生直流输出电压，而该输 出电压与输入的待测微波功率成正比，从而实现了微波功率的测量。本发明的微电子机械可重构宽频带微波功率传感器的衬底为砷化镓衬底，在 砷化镓衬底上有一层铝镓砷薄膜，在铝镓砷薄膜的上表面设有第一微机械电容式 串联开关、第二微机械电容式串联开关、第三微机械电容式串联开关、共面波导 天线、共面波导传输线、热电堆、压焊块、微机械电容式串联开关、终端负载电 阻；共面波导天线有三条呈"T"形分布，在"T"形分布的共面波导天线的两侧 分别设有第一微机械电容式串联开关、第二微机械电容式串联开关、第三微机械 电容式串联开关，在"T"形分布的共面波导天线的下侧连接共面波导传输线，在 共面波导传输线终端有两个并联的负载电阻，在两个并联的负载电阻的外侧对应 设有热电堆，热电堆的一端通过导线与两个压焊块相连接。本发明的微电子机械可重构宽频带微波功率传感器的制备方法具体包括以下步骤a) 准备砷化镓衬底，使用未掺杂的砷化镓，厚度为500ym,b) 外延生长铝镓砷薄膜，用作腐蚀自停止层，厚度为IOOO A，c) 外延生长砷化镓，生长范围为热电堆砷化镓臂，厚度为0.25um，d) 溅射金锗镍/金，溅射范围为热电堆金属臂，金锗镍/金的厚度为300/1800A，e) 淀积并光刻氮化钽形成电阻，淀积及光刻范围为负载电阻，厚度为2um，f) 溅射并光刻钛/金/钛，溅射范围为共面波导传输线、共面波导天线，微机械 电容式串联开关下方驱动电极，厚度为500/1500/300 A，g) 淀积氮化硅介质保护层，淀积范围为微机械电容式串联开关下方金属区域， 厚度为誦A，h) 淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层，在砷化镓衬底上涂覆2 u m聚酰亚胺牺牲层并 光刻，仅保留微机械电容式串联开关下方的牺牲层，i) 溅射并光刻钛/金/钛，并电镀金，溅射范围为微机械电容式串联开关，厚
度为500/1500/300 A，电镀金层的厚度为1.4um，范围为微机械电容式串联开关、 共面波导天线、共面波导传输线， j)释放牺牲层，k)减薄衬底至100 nm，
1)背面刻蚀至铝镓砷阻挡层。区分是否为该结构的标准为-该结构使用了基于微机械电容式串联开关的可重构天线接收微波信号，通过 微机械电容式串联开关的开启与闭合使天线的形状发生变化，从而能够分别接收1. 5GHz 2. 4GHz、 2. lGHz 2. 9GHz、 2. 3GHz 4. 0GHz和3. 0GHz 4. 5GHz四个频率 段上的微波信号，实现了不同频率段上的微波信号的测量。满足以上要求即为我们所设计的结构。
有益效果与国外、国内己出现的微电子机械微波功率传感器相比，这种新 型的微电子机械可重构宽频带微波功率传感器结构具有以下显著的优点1、 采用共面波导接收天线的结构，直接接收外界微波功率，而不必像传统的 间接加热式微波功率传感器需要在共面波导前端通过转接装置才能实现微波功率 的测量。2、 使用了微机械电容式串联开关来改变共面波导天线的形状，使共面波导天 线的接收频率发生变化，从而能够分别接收1.5GHz 2.4GHz、 2. 1GHZ 2. 9GHz、2. 3GHz 4. OGHz和3. 0GHz 4. 5GHz四个频率段上的微波信号。
这些优点是已出现的传统功率传感器所不具有的，因而，这种具有超带宽和 很强使用灵活性的基于可重构天线技术的微波功率传感器具有非常重要的应用价 值和较为广阔的市场前景。
图1是微电子机械可重构宽频带微波功率传感器正面俯视图。 图2(a)是微机械电容式串联开关全部闭合情况下的传感器俯视图；图2(b)是第 三微机械电容式串联开关3开启，第一微机械电容式串联开关l、第二微机械电容 式串联开关2闭合情况下的传感器俯视图；图2(c)是第二微机械电容式串联开关2、 第三微机械电容式串联开关3开启，第一微机械电容式串联开关1闭合情况下的 传感器俯视图；图2(d)是微机械电容式串联开关全部开启情况下的传感器俯视图3是微电子机械可重构宽频带微波功率传感器的A-A面的剖视图。 图4是微电子机械可重构宽频带微波功率传感器的B-B面的剖视图。 图5是微电子机械可重构宽频带微波功率传感器器工艺流程图。 图6是微电子机械可重构宽频带微波功率传感器的电压输出图(频率为 10GHz，传感器的GaAs衬底高度为100/ n，共面波导中心导带宽度为100//附，狭缝宽度为58/zm，热堆长度为500//附)。图中包括第一微机械电容式串联开关l、第二微机械电容式串联开关2、第 三微机械电容式串联开关3、共面波导天线4、共面波导传输线5、热电堆6、压 焊块7、铝镓砷薄膜8、砷化镓衬底9、微机械电容式串联开关10、终端负载电阻 11、氮化硅介质保护层12、聚酰亚胺牺牲层13、驱动电极14。
具体实施方式
本发明是在砷化镓衬底上，通过改变天线的形状来形成能接收不同频段上微 波信号的共面波导天线，通过微机械电容式串联开关来控制天线形状的变化，在 共面波导传输线终端有两个并联的电阻作为微波负载电阻，负载电阻通过发热引 起其外侧的热电堆的发热，热电堆由于发热的不均而产生了冷热节点，形成温度差，从而由于赛贝克效应在热电堆的两个输出端产生直流电压，由两个压焊块输 出，而该输出热电压与输入的待测微波功率成正比，测量这个电压便可以的得出 微波功率的数值。该传感器的衬底为砷化镓衬底9，在砷化镓衬底9上有一层铝镓砷薄膜8，在 铝镓砷薄膜8的上表面设有第一微机械电容式串联开关1、第二微机械电容式串联 开关2、第三微机械电容式串联开关3、共面波导天线4、共面波导传输线5、热 电堆6、压焊块7、微机械电容式串联开关10、终端负载电阻ll;共面波导天线4 有三条呈"T"形分布，在"T"形分布的共面波导天线4的两侧分别设有第一微 机械电容式串联开关l、第二微机械电容式串联开关2、第三微机械电容式串联开 关3，在"T"形分布的共面波导天线4的下侧连接共面波导传输线5，在共面波 导传输线5终端有两个并联的负载电阻11，在两个并联的负载电阻11的外侧对应 设有热电堆6，热电堆6的一端通过导线与两个压焊块7相连接。采用GaAs单片微波集成电路(應IC)工艺及MEMS加工工艺相结合来实现微
电子机械可重构宽频带微波功率传感器的结构，具体工艺步骤简述如下a) 准备砷化镓衬底，使用未掺杂的砷化镓，厚度为500um，b) 外延生长铝镓砷薄膜，用作腐蚀自停止层，厚度为IOOO A，c) 外延生长砷化镓，生长范围为热电堆砷化镓臂，厚度为0.25ura，d) 溅射金锗镍/金，溅射范围为热电堆金属臂，金锗镍/金的厚度为300 /1800A，e) 淀积并光刻氮化钽形成电阻，淀积及光刻范围为负载电阻，厚度为2pm，f) 溅射并光刻钛/金/钛，溅射范围为共面波导传输线、共面波导天线，微机械 电容式串联开关下方驱动电极，厚度为500/1500/300 A，g) 淀积氮化硅介质保护层，淀积范围为微机械电容式串联开关下方金属区域， 厚度为1000 A，h) 淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层，在砷化镓衬底上涂覆2 u m聚酰亚胺牺牲层并 光刻，仅保留微机械电容式串联开关下方的牺牲层，i) 溅射并光刻钛/金/钛，并电镀金，溅射范围为微机械电容式串联开关，厚度 为500/1500/300 A，电镀金层的厚度为1.4um,范围为微机械电容式串联开关、 共面波导天线、共面波导传输线，j)释放牺牲层， k)减薄衬底至100 ym， l)背面刻蚀至铝镓砷阻挡层。
权利要求
1、一种微电子机械可重构宽频带微波功率传感器，其特征在于该传感器的衬底为砷化镓衬底(9)，在砷化镓衬底(9)上有一层铝镓砷薄膜(8)，在铝镓砷薄膜(8)的上表面设有第一微机械电容式串联开关(1)、第二微机械电容式串联开关(2)、第三微机械电容式串联开关(3)、共面波导天线(4)、共面波导传输线(5)、热电堆(6)、压焊块(7)、微机械电容式串联开关(10)、终端负载电阻(11)；共面波导天线(4)有三条呈“T”形分布，在“T”形分布的共面波导天线(4)的两侧分别设有第一微机械电容式串联开关(1)、第二微机械电容式串联开关(2)、第三微机械电容式串联开关(3)，在“T”形分布的共面波导天线(4)的下侧连接共面波导传输线(5)，在共面波导传输线(5)终端有两个并联的负载电阻(11)，在两个并联的负载电阻(11)的外侧对应设有热电堆(6)，热电堆(6)的一端通过导线与两个压焊块(7)相连接。
2. —种如权利要求1所述的微电子机械可重构宽频带微波功率传感器的制备 方法，其特征在于该方法具体包括以下步骤-a) 准备砷化镓衬底，使用未掺杂的砷化镓，厚度为500ym，b) 外延生长铝镓砷薄膜，用作腐蚀自停止层，厚度为1000 A，c) 外延生长砷化镓，生长范围为热电堆砷化镓臂，厚度为0.25um，d) 溅射金锗镍/金，溅射范围为热电堆金属臂，金锗镍/金的厚度为300/1800A，e) 淀积并光刻氮化钽形成电阻，淀积及光刻范围为负载电阻，厚度为2um，f) 溅射并光刻钛/金/钛，溅射范围为共面波导传输线、共面波导天线，微机械 电容式串联开关下方驱动电极，厚度为500/1500/300 A，g) 淀积氮化硅介质保护层，淀积范围为微机械电容式串联开关下方金属区域， 厚度为1000 A，h) 淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层，在砷化镓衬底上涂覆2 u m聚酰亚胺牺牲层并 光刻，仅保留微机械电容式串联开关下方的牺牲层，i) 溅射并光刻钛/金/钛，并电镀金，溅射范围为微机械电容式串联开关，厚 度为500/1500/300 A，电镀金层的厚度为1.4um，范围为微机械电容式串联开关、 共面波导天线、共面波导传输线， j)释放牺牲层， k)减薄衬底至100ura， 1)背面刻蚀至铝镓砷阻挡层。
全文摘要
微电子机械可重构宽频带微波功率传感器是一种利用共面波导天线接收微波功率从而引起电阻发热，通过热电堆测出微波信号幅度的传感器。该传感器是在砷化镓衬底(9)上，形成工作在不同频段的共面波导天线(4)，通过微机械电容式串联开关(4)来控制共面波导天线(4)工作在不同频段，共面波导天线(4)再与共面波导传输线(5)连接从而传输微波信号，在共面波导传输线(5)终端有两个并联的电阻作为负载电阻(11)，负载电阻(11)发热引起其外侧的热电堆(6)的发热，热电堆(6)由于发热的不均而产生了温度差，温度差导致热电堆(6)产生塞贝克效应，在其两端产生直流电压输出，而该输出电压与输入的待测微波功率成正比，测量这个电压便可以得出微波功率的数值。
文档编号G01R21/04GK101131407SQ20071013295
公开日2008年2月27日 申请日期2007年10月9日 优先权日2007年10月9日
发明者廖小平, 涛 田 申请人:东南大学