专利名称：呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器及制备方法
技术领域：
本发明提出了呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器及制备方法，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
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。近年来，随着MEMS技术的快速发展，基于热电偶的微波功率传感器是被广泛应用的器件之一。其工作原理为利用终端匹配电阻吸收输入待测的微波功率而产生热，并通过放置终端匹配电阻附近的热电堆探测该匹配电阻附近的温差，并将之转化为热电势输出，实现微波功率的测量。它具有低的损耗、高的灵敏度和好的线性度的优点，然而其最大的不足是一个微波功率传感器只能测量单一通道的输入微波功率，当测量多通道的微波功率时需要额外的电路或多个微波功率传感器实现。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一个微波功率传感器能够实现片上三通道输入微波功率的测量而且具有较小的芯片面积。现如今对MEMS技术的深入研究，使基于 MEMS技术实现上述功能的呈120°角三通道微波功率传感器成为可能。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的呈120°角三通道微波功率传感器及制备方法，通过对称放置三个共面波导(CPW)，它们相互之间呈120°的角，在每个共面波导的输出端并联连接两个终端匹配电阻，每个终端匹配电阻附近有一个热电偶，将这三对热电偶也成对称放置并串联连接形成热电堆，这三对热电偶相互之间也同样呈120° 的角，从而实现三通道微波功率的测量；它大大减小了芯片面积，提高了集成度。技术方案本发明的呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器以砷化镓 (GaAs)为衬底，在衬底上设有三个CPW、六个终端匹配电阻、一个由六个热电偶构成三对热电偶而组成的热电堆、两个输出压焊块、一个金属散热片以及连接线，在衬底下形成一个 MEMS衬底膜结构
CPW用于实现微波信号的传输，以及测试仪器和终端匹配电阻的电路连接。每个CPW由一条CPW的信号线和两条地线组成。终端匹配电阻被连接到CPW的输出端，完全吸收由CPW输入端传输的微波功率，并转换为热量。热电堆是由六个热电偶构成三对热电偶而组成的，每个热电偶靠近一个终端匹配电阻，但不与该终端匹配电阻连接；热电堆靠近终端电阻的一端吸收到这种热量，并引起这端温度的升高，即为热电堆的热端，然而热电堆的另一端的温度被作为环境温度，即为热电堆的冷端，由于热电堆热冷两端温度的不同，根据Seebeck效应，在热电堆的输出压焊块上产生热电势的输出。金属散热片被热电堆的冷端环绕，用于维持热电堆的冷端温度为环境温度，从而提高热电堆热冷两端的温差。连接线用于热电偶之间的互相连接以及热电堆与输出压焊块之间的连接。MEMS衬底膜结构位于终端匹配电阻和热电堆的热端下方，在其下方的GaAs衬底通过MEMS背面刻蚀技术去掉一部分，形成MEMS衬底膜结构，提高了热量由终端电阻向热电堆热端的传输效率从而提高热电堆热冷两端的温差。在机械结构上，CPW、终端匹配电阻、热电堆、输出压焊块、金属散热片以及连接线制作在同一块GaAs衬底上。本发明的呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器通过对称放置三个CPW，它们相互之间呈120°的角，在每个共面波导的输出端并联连接两个终端匹配电阻，每个终端匹配电阻附近有一个热电偶，将这三对热电偶也成对称放置并串联连接形成热电堆，这三对热电偶相互之间也同样呈120°的角，从而实现三通道微波功率的测量。当一个待测的微波信号通过任意一个CPW输入端引入时，在该CPW输出端并联的两个终端匹配电阻吸收这个微波功率而产生热量，使终端电阻周围的温度升高，放置在该终端电阻附近的两个热电偶测量其温度差，基于kebeck效应，在热电堆的输出压焊块上产生热电势的输出，从而实现单输入微波功率的测量；当两个待测的微波信号通过任意两个CPW输入端引入时，在这两个CPW输出端并联的终端匹配电阻分别吸收这两个微波功率而产生热量，使终端电阻周围的温度升高，放置在该终端电阻附近的热电偶分别测量其温度差，基于kebeck效应，在输出压焊块上产生热电势的输出，从而实现双输入微波功率的测量；当三个待测的微波信号通过三个CPW输入端引入时，在CPW输出端并联的终端匹配电阻分别吸收这三个微波功率而产生热量，使终端电阻周围的温度升高，放置在该终端电阻附近的热电偶分别测量其温度差，基于kebeck效应，在输出压焊块上产生热电势的输出，从而实现三输入微波功率的测量。呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器的制备方法为
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重掺杂(一般浓度大于等于IO18CnT3)；
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(一般浓度小于IO18CnT3)的热电堆的半导体热偶臂；
4)光刻去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；
5)溅射金锗镍/金；
6)剥离，形成热电堆的金属热偶臂；
7)光刻去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；
8)溅射氮化钽；
9)剥离;
10)光刻去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；
11)蒸发第一层金；
12)剥离，初步形成CPW，金属散热片、输出压焊块以及连接线；
13)反刻氮化钽，形成与CPW输出端相连接的终端匹配电阻，其方块电阻为25Ω / □；
14)蒸发钛/金/钛蒸发用于电镀的底金；15)光刻去除要电镀地方的光刻胶；
16)电镀金；
17)去除光刻胶去除不需要电镀地方的光刻胶；
18)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW，金属散热片、输出压焊块以及连接线；
19)将该砷化镓衬底背面减薄(一般在50//m和150// m之间)；
20)背面光刻去除在砷化镓背面形成膜结构地方的光刻胶；
21)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。有益效果本发明的呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器不但具有传统热电式微波功率传感器的优点，如低损耗、高灵敏度、好的线性度，而且具有实现三通道微波功率的测量、高的集成度以及与砷化镓单片微波集成工艺兼容的优点。
图1是呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器的示意图； 图2是呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器的A-A剖面图； 图3是呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器的B-B剖面图中包括微波信号输入端1、2和3，CPW 4，终端匹配电阻5，由六个热电偶6构成的热电堆，半导体热偶臂7，金属热偶臂8，金属散热片9，输出压焊块10，MEMS衬底的膜结构11，连接线12，砷化镓衬底13。
具体实施例方式本文发明的呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器的具体实施方案如下 在砷化镓衬底13上设有三个CPW 4、六个终端匹配电阻5、一个由六个热电偶6构
成三对热电偶6而组成的热电堆、两个输出压焊块10、一个金属散热片9以及连接线 12，在衬底13下形成一个MEMS衬底膜结构11:
CPff 4用于实现微波信号的传输，以及测试仪器和终端匹配电阻5的电路连接。每个 CPff 4由一条CPW的信号线和两条地线组成。终端匹配电阻5被连接到CPW 4的输出端，完全吸收由CPW 4输入端1、2和 3传输的微波功率，并转换为热量。热电堆是由六个热电偶6构成三对热电偶6而组成的，每个热电偶6靠近一个终端匹配电阻5，但不与该终端电阻5连接；热电堆靠近终端电阻5的一端吸收到这种热量，并引起这端温度的升高，即为热电堆的热端，然而热电堆的另一端的温度被作为环境温度，即为热电堆的冷端，由于热电堆热冷两端温度的不同，根据Seebeck效应，在热电堆的输出压焊块10上产生热电势的输出。金属散热片9被热电堆的冷端环绕，用于维持热电堆的冷端温度为环境温度，从而提高热电堆热冷两端的温差。连接线12用于热电偶6之间的互相连接以及热电堆与输出压焊块10之间的连接。MEMS衬底膜结构11位于终端匹配电阻5和热电堆的热端下方，在其下方的 GaAs衬底13通过MEMS背面刻蚀技术去掉一部分，形成MEMS衬底膜结构11，提高了热量
5由终端电阻5向热电堆热端的传输效率从而提高热电堆热冷两端的温差。在机械结构上，CPff 4、终端匹配电阻5、热电堆、输出压焊块10、金属散热片9 以及连接线12制作在同一块GaAs衬底13上。本发明的呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器通过对称放置三个CPW 4， 它们相互之间呈120°的角，在每个CPW 4的输出端并联连接两个终端匹配电阻5，每个终端匹配电阻5附近有一个热电偶6，将这三对热电偶6也成对称放置并串联连接形成热电堆，这三对热电偶6相互之间也同样呈120°的角，从而实现三通道微波功率的测量。当一个待测的微波信号通过任意一个CPW输入端1、2或3引入时，在该CPW输出端并联的两个终端匹配电阻5吸收这个微波功率而产生热量，使终端电阻5周围的温度升高，放置在该终端电阻5附近的两个热电偶6测量其温度差，基于kebeck效应，在热电堆的输出压焊块10上产生热电势的输出，从而实现单输入微波功率的测量；当两个待测的微波信号通过任意两个CPW输入端1、2，1、3或2、3引入时，在每个CPW输出端并联的终端匹配电阻5分别吸收这两个微波功率而产生热量，使终端电阻5周围的温度升高，放置在该终端电阻5附近的热电偶6分别测量其温度差，基于kebeck效应，在输出压焊块10上产生热电势的输出，从而实现双输入微波功率的测量；当三个待测的微波信号通过三个CPW输入端1、2和3引入时，在每个CPW输出端并联的终端匹配电阻5分别吸收这三个微波功率而产生热量，使终端电阻5周围的温度升高，放置在该终端电阻5附近的热电偶6分别测量其温度差，基于kebeck效应，在输出压焊块10上产生热电势的输出，从而实现三输入微波功率的测量。呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器的制备方法为
1)准备砷化镓衬底13: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重掺杂(一般浓度大于等于IO18CnT3)；
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(一般浓度小于IO18CnT3)的热电堆的半导体热偶臂7 ；
4)光刻去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；
5)溅射金锗镍/金；
6)剥离，形成热电堆的金属热偶臂8;
7)光刻去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；
8)溅射氮化钽；
9)剥离;
10)光刻去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；
11)蒸发第一层金；
12)剥离，初步形成CPW4，金属散热片9，输出压焊块10以及连接线12;
13)反刻氮化钽，形成与CPW输出端相连接的终端匹配电阻5，其方块电阻为 25 Ω / □；
14)蒸发钛/金/钛蒸发用于电镀的底金；
15)光刻去除要电镀地方的光刻胶；
16)电镀金；17)去除光刻胶去除不需要电镀地方的光刻胶；
18)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW4，金属散热片9，输出压焊块10以及连接线12;
19)将该砷化镓衬底13背面减薄(一般在50//m和150// m之间)；
20)背面光刻去除在砷化镓13背面形成膜结构地方的光刻胶；
21)刻蚀减薄终端电阻5和热电堆的热端下方的砷化镓衬底13，形成膜结构11。
区分是否为该结构的标准如下
本发明的呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器，通过对称放置三个CPW 4，它们相互之间呈120°的角，在每个CPW的输出端并联连接两个终端匹配电阻5，每个终端匹配电阻5附近有一个热电偶6，将这三对热电偶6也成对称放置并串联连接形成热电堆，这三对热电偶6相互之间也同样呈120°的角，从而实现三通道微波功率的测量；满足以上条件的结构即视为本发明的呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器。
权利要求
1.一种呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器，制作在砷化镓衬底(13)上，在其上设有三个CPW (4)、六个终端匹配电阻(5)、一个由六个热电偶(6)构成三对热电偶(6) 而组成的热电堆、两个输出压焊块(10)、一个金属散热片(9)以及连接线(12)，在衬底(13) 下形成一个MEMS衬底膜结构(11)，其特征在于该结构具有三个用于传输微波信号的CPW输入端(1)、(2)和(3)，它们彼此对称放置且相互之间呈120°的角，在每个CPW的输出端并联连接两个终端匹配电阻(5)，每个终端匹配电阻(5)附近有一个热电偶(6)，将这三对热电偶(6 )也成对称放置并串联连接形成热电堆，这三对热电偶(6 )相互之间也同样呈120°的角；金属散热片(9)被热电堆的冷端环绕；MEMS衬底膜结构(11)位于终端匹配电阻(5)和热电堆的热端下方。
2.一种如权利要求1所述的呈120°角三通道微电子机械微波功率传感器的制备方法， 其特征在于制备方法为1)准备砷化镓衬底(13)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重掺杂，重掺杂的浓度一般大于等于IO18CnT3 ；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，形成轻掺杂的热电堆的半导体热偶臂(7)，轻掺杂的浓度一般小于IO18CnT3 ；4)光刻去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；5)溅射金锗镍/金；6)剥离，形成热电堆的金属热偶臂(8)；7)光刻去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；8)溅射氮化钽；9)剥离;10)光刻去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；11)蒸发第一层金；12)剥离，初步形成CPW(4)，金属散热片(9)，输出压焊块(10)以及连接线(12);13)反刻氮化钽，形成与CPW输出端相连接的终端匹配电阻(5)，其方块电阻为 25 Ω / □；14)蒸发钛/金/钛蒸发用于电镀的底金；15)光刻去除要电镀地方的光刻胶；16)电镀金；17)去除光刻胶去除不需要电镀地方的光刻胶；18)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成CPW(4)，金属散热片(9)，输出压焊块(10)以及连接线(12);19)将该砷化镓衬底(13)背面减薄，其厚度一般在50//m和150//m之间；20)背面光刻去除在砷化镓(13)背面形成膜结构地方的光刻胶；21)刻蚀减薄终端电阻(5)和热电堆的热端下方的砷化镓衬底(13)，形成膜结构(11)。
全文摘要
本发明的呈120o角三通道微电子机械微波功率传感器不但具有传统热电式微波功率传感器的优点，如低损耗、高灵敏度、好的线性度，而且具有实现三通道微波功率的测量、高的集成度以及与砷化镓单片微波集成工艺兼容的优点。该结构在砷化镓衬底上，有三个用于传输微波信号的CPW输入端，它们彼此对称放置且相互之间呈120o的角，在每个CPW的输出端并联连接两个终端匹配电阻，每个终端匹配电阻附近有一个热电偶，将这三对热电偶也成对称放置并串联连接形成热电堆，这三对热电偶相互之间也同样呈120o的角；金属散热片被热电堆的冷端环绕；MEMS衬底膜结构位于终端匹配电阻和热电堆的热端下方。
文档编号G01R21/02GK102338825SQ20111022939
公开日2012年2月1日 申请日期2011年8月11日 优先权日2011年8月11日
发明者廖小平, 张志强 申请人:东南大学