专利名称：基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的相位检测装置的制作方法
技术领域：
本发明提出了基于微电子机械系统(MEMS)技术的微波相位检测装置，属于微电子机械系统的技术领域。
背景技术：
在微波技术研究中，微波相位是表征微波信号特征的一个重要参数。相位检测装置在锁相环(PLL)等方面有极其广泛的应用，利用场效应晶体管构成的吉尔伯特乘法器是应用最广泛的微波相位检测器，乘法器的两个输入端分别接入参考信号和待测信号，就可以得到一个高频项和一个低频项，再由低通滤波器滤去高频项从而得到它们之间的相位差，但在此过程中会带来不可忽略的噪声和功耗，从而影响检测的准确度。从二十世纪末开始，随着RF MEMS技术的产生与发展，低噪声和低功耗的微波相位检测装置的实现成为可能，本发明即为基于此技术的检测装置。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的相位检测装置，通过测量参考信号与经过数字式移相器移相的待测信号合成后的信号功率的方法，实现精确检测微波信号相位的目的。技术方案本发明的一种基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置，该检测装置包括固支梁电容式微机械微波功率传感器、功率合成器、可调数字式移相器以及电容-数字转换器；其中，将与待测信号频率相同的参考微波信号加到功率合成器的输入端口一，将待测微波信号加到可调数字式移相器的输入端口，经过可调数字式移相器移相后加到功率合成器的输入端口二；这两路信号经过功率合成器进行矢量合成后到达功率合成器的输出端口，然后加在固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口。优选的，固支梁电容式微机械微波功率传感器包括共面波导传输线、共面波导传输线的地平面、薄膜、固支梁、固支梁的下电极和衬底；其中，共面波导传输线设在衬底的表面，共面波导传输线的地平面设在共面波导传输线上，与共面波导传输线相对设置且绝缘的固支梁、共面波导传输线与固支梁之间保持有间距，设在共面波导传输线上且与固支粱相对设置的固支梁的下电极，覆盖在固支粱下电极表面的薄膜。优选的，衬底为砷化镓衬底，薄膜为氮化硅薄膜。优选的，电容-数字转换器的测试端口一和测试端口二分别接在固支梁的下电极和共面波导传输线的地平面。优选的，待测信号的原相位是一个唯一的值。有益效果与已有的微波相位检测装置相比，这种基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的相位检测装置具有以下显著的优点1、可调数字式移相器可以精确控制合成信号的功率从而提高测量精度；2、该传感器的制备与单片微波集成电路(MMIC)工艺完全兼容，可与信息处理电路集成；由于基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的相位检测装置具有MEMS普遍共有的重量轻、功耗低等一系列优点，这是传统的微波相位检测装置无法比拟的，所以具有极高的科学研究和工业应用的价值。
图1是基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的相位检测装置的原理图。图2是固支梁电容式微机械微波功率传感器的正面俯视图。图3是基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的相位检测装置的线路连接图。图4是功率合成器。图5是两个矢量合成原理图。图中包括共面波导传输线1，共面波导传输线的地平面2，氮化硅薄膜3，MEMS固支梁4，MEMS固支梁的下电极5，砷化镓衬底6，可调数字式移相器的输入端口 7，可调数字式移相器8,可调数字式移相器的输出端口 9,功率合成器的输入端口一 10,功率合成器的输入端口二 11，功率合成器12，功率合成器的输出端口 13，固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口 14，固支梁电容式微机械微波功率传感器15，电容-数字转换器的测试端口一 16，电容-数字转换器的测试端口二 17，电容-数字转换器18。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明做进一步说明。本发明的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的相位检测装置利用了可调数字式移相器、功率合成器以及固支梁电容式微机械微波功率传感器将待测微波信号Vx经过可调数字式移相器移相后加到功率合成器的一个输入端口，将与待测信号频率相同的参考微波信号Vref加到功率合成器的另一个端口。这两路信号经过功率合成器进行矢量合成后加在固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口。待测信号Vx经过可调数字式移相器后会在原相位的基础上增加额外的附加相位角度f ，通过调节可调数字式移相器的移相度，可使此路信号相对于即将与其进行矢量合成的参考信号的相位角度fMf成为180度或0度，即
Px + f>a — Pref = 180° 或穴 + 凡—= O0如果该角度是180度，由于矢量相减，则经过信号合成后在功率合成器的输出端口处的信号功率为最小值；如果该角度是0度，由于矢量相加，则在功率合成器的输出端口处的信号功率为最大值，其中两次附加相位角度,之差肯定为180度，这样保证推算出的待测信号Vx的原相位_是一个唯一的值。固支梁电容式微机械微波功率传感器的主体为MEMS固支梁。当微波信号通过共面波导传输线进入该传感器后，由于MEMS固支梁与共面波导信号线之间产生了静电力，此静电力将使MEMS固支梁产生位移，从而使MEMS固支梁与下电极之间的电容值发生变化，通过ADI公司的24位电容-数字转换器AD7747EBZ测量出此电容的最小值和最大值，分别对应功率合成器的输出端口处的信号功率的最小值和最大值，从而判断角度是180度还是0度。本发明的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的相位检测装置是一种使用了矢量合成原理的微波相位检测装置，具体实施方案如下该检测装置使用了固支梁电容式微机械微波功率传感器、功率合成器、可调数字式移相器以及电容-数字转换器。其中，固支梁电容式微机械微波功率传感器包括共面波导传输线1、氮化硅薄膜3、MEMS固支梁4、MEMS固支梁的下电极5和砷化镓衬底6。其中，共面波导传输线I设在衬底6的表面，共面波导传输线的地平面2设在共面波导传输线I上，与共面波导传输线I相对设置且绝缘的固支梁4、共面波导传输线I与固支梁4之间保持有间距，设在共面波导传输线I上且与固支粱4相对设置的固支梁的下电极5，覆盖在固支粱4下电极5表面的薄膜3。将与待测信号Vx频率相同的参考微波信号Vref加到功率合成器的输入端口一 10，将待测微波信号Vx加到可调数字式移相器输入端口 7，经过可调数字式移相器8移相后加到功率合成器的输入端口二 11。这两路信号经过功率合成器12进行矢量合成后到达功率合成器的输出端口 13,然后加在固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口 14,电容-数字转换器的测试端口一 16和测试端口二 17分别接在MEMS固支梁的下电极5和共面波导传输线的地平面2。通过可调数字式移相器8可以在待测信号Vx的相位的基础上增加额外的附加相位角度结果使得此路信号的相位角度相对于即将与其进行矢量合成的参考信号的相位角度Ifef成为180度或0度，即ft + ft — f f = 180`°或氣 + -^lrf=O0如果该角度成为180度，由于矢量相减，则在功率合成器的输出端口 13处的信号功率为最小值；如果该角度成为0度，由于矢量相加，则在功率合成器的输出端口 13处的信号功率为最大值，其中两次附加相位角度之差肯定为180度，这样保证推算出的待测信号Vx的原相位％是一个唯一的值。固支梁电容式微机械微波功率传感器15的主体为MEMS固支梁4。当微波信号通过共面波导传输线I进入该传感器后，由于MEMS固支梁4与共面波导传输线I之间产生了静电力，此静电力将使MEMS固支梁4产生位移，从而使MEMS固支梁4与MEMS固支梁的下电极5之间的电容值发生变化，通过电容-数字转换器18测量出此电容的最小值和最大值，分别对应功率合成器的输出端口处的信号功率的最小值和最大值，从而判断被合成的两个矢量之间的角度是180度还是0度。如果该角度成为180度，则意味着参考信号的相位角度Prf加上180度再减去数字式移相器8所示移相度数_后即为待测信号的相位外;如果该角度成为0度，则意味着参考信号的相位角度frf减去数字式移相器8所示移相度数^后即为待测信号Vx的相位其中两次附加相位角度,之差肯定为180度，这样保证推算出的待测信号Vx的原相位^%是一个唯一的值。采用与砷化镓微波单片集成电路(MMIC)工艺相兼容的MEMS加工工艺来制作固支梁电容式微机械微波功率传感器15，具体的工艺步骤如下a)金锗镍/金层被蒸发在500 U m厚的砷化镓衬底上，
b)淀积氮化硅作为介质层，c)旋涂聚酰亚胺牺牲层，d)电镀钛/金/钛种子层，e)移除顶部钛层，再电镀金层，f)亥Ij蚀钛/金/钛，形成孔，g)刻蚀聚酰亚胺牺牲层，h)减薄衬底至100 iim。区分是否为该结构的标准如下该微波相位检测装置采用了测量参考信号VMf与经过可调数字式移相器移相的待测信号Vx合成后的信号功率的方法，从而实现了对微波相位的精确测量，由移相、功率合成和功率检测三部分组成。即将与待测信号频率相同的参考微波信号VMf加到功率合成器的输入端口一 10，将待测微波信号Vx经过可调数字式移相器8搬移一定的相位角度后加到功率合成器的输入端口二 11。这两路信号经过功率合成器12进行矢量合成后加在固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口 14上，通过装置的检测部分(电容-数字转换器18)精确地检测出电容的最小值和最大值，分别对应功率合成器12的输出端口 13处的信号功率的最小值和最大值，从而判断被合成的两个矢量之间的角度是180度还是0度。如果该角度成为180度，则意味着参考信号的相位角度加上180度再减去数字式移相器8所示移相度数作后即为待测信号的相位如果该角度成为0度，则意味着参考信号的相位角度fref减去数字式移相器8所示移相度数fa后即为待测信号Vx的相位，其中两次附加相位角度ft之差肯定为180度，这样保证推算出的待测信号Vx的原相位是一个唯一的值。满足以上条件的结构即被视为本发明的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
1.一种基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置，其特征在于，该检测装置包括 固支梁电容式微机械微波功率传感器、功率合成器、可调数字式移相器以及电容-数字转换器；其中， 将与待测信号(Vx)频率相同的参考微波信号(VMf)加到功率合成器的输入端口一(10)，将待测微波信号(Vx)加到可调数字式移相器的输入端口(7)，经过可调数字式移相器(8 )移相后加到功率合成器的输入端口二( 11);这两路信号经过功率合成器(12 )进行矢量合成后到达功率合成器的输出端口( 13)，然后加在固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口(14)。
2.根据权利要求1所述的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置，其特征在于，固支梁电容式微机械微波功率传感器包括共面波导传输线(I )、共面波导传输线的地平面(2)、薄膜(3)、固支梁(4)、固支梁的下电极(5)和衬底(6);其中， 共面波导传输线(I)设在衬底(6)的表面，共面波导传输线的地平面(2)设在共面波导传输线(I)上，与共面波导传输线(I)相对设置且绝缘的固支梁(4)、共面波导传输线(I)与固支梁(4)之间保持有间距，设在共面波导传输线(I)上且与固支粱(4)相对设置的固支梁的下电极(5)，覆盖在固支粱(4)下电极(5)表面的薄膜(3)。
3.根据权利要求2所述的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置，其特征在于，衬底(6)为砷化镓衬底，薄膜(3)为氮化硅薄膜(3)。
4.根据权利要求2所述的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置，其特征在于，电容-数字转换器的测试端口一( 16)和测试端口二( 17)分别接在固支梁的下电极(5)和共面波导传输线的地平面(2)。
5.根据权利要求1所述的基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置，其特征在于，待测信号(Vx)的原相位(^)是一个唯一的值。
全文摘要
本发明公开了一种基于固支梁电容式微机械微波功率传感器的微波相位检测装置，该检测装置包括固支梁电容式微机械微波功率传感器、功率合成器、可调数字式移相器以及电容-数字转换器；其中，将与待测信号(Vx)频率相同的参考微波信号(Vref)加到功率合成器的输入端口一(10)，将待测微波信号(Vx)加到可调数字式移相器的输入端口(7)，经过可调数字式移相器(8)移相后加到功率合成器的输入端口二(11)；这两路信号经过功率合成器(12)进行矢量合成后到达功率合成器的输出端口(13)，然后加在固支梁电容式微机械微波功率传感器的输入端口(14)。本发明实现精确检测微波信号相位的目的。
文档编号G01R25/04GK103063918SQ20121057604
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者廖小平, 崔焱 申请人:东南大学