硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器的制作方法

本发明提出了硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术：

随着电子信息电子科学技术的持续发展，人们已经来到了一个信息非常多元化的时代，人们周围都充斥着各种各样的信息通讯设备，归根结底地讲，几乎所有的通讯信息设备都离不开对信号的检测和处理，因此信号的检测也一直是人们日益不断研究的重要内容。目前，人们研究的大多数信号主要集中在低频和某些高频波段，对于极高频的信号研究较少，毫米波信号是一种位于微波和远红外波交叠区域的极高频信号，随着对频段资源的不断开发，毫米波的信号检测技术也被提上了时代大舞台。众所周知，一个信号的三大参数为频率、相位和功率，其中毫米波信号的相位检测是非常重要的一部分内容，然而当今的相位检测器通常结构复杂，不易于集成，而且频率也无法达到极高频，通常毫米波的相位检测分为已知频率下和未知频率下的检测，在实际情况下，一个未知信号的频率也是无法知晓的，因此未知频率下的相位检测器必须先测量其频率，确定参考信号的频率，最后再测量相位。

在共面波导缝隙耦合结构、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及直接式热电式功率传感器的研究基础上，本发明在高阻Si衬底上设计了一种在未知频率下的毫米波在线相位检测器，本发明利用了共面波导缝隙耦合结构将毫米波的频率和相位检测集成在一起，具有较高的潜在价值。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提供一种硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器，本发明采用了简单新颖的共面波导缝隙耦合结构，在功率分配和功率合成方面则采用了常见的Wilkinson功分器和Wilkinson功合器结构，在合成信号的测量方面则采用了直接式热电式功率传感器。

技术方案：本发明的硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器是由共面波导、一号缝隙耦合结构、二号缝隙耦合结构、三号缝隙耦合结构、四号缝隙耦合结构、移相器、一号单刀双掷开关、二号单刀双掷开关、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及五个直接式热电式功率传感器所构成，具体结构的连接关系如下：第一端口是信号输入端，一号缝隙耦合结构和二号缝隙耦合结构位于共面波导上侧地线，三号缝隙耦合结构和四号缝隙耦合结构则位于共面波导下侧地线，这两对缝隙关于中心信号线对称，它们之间由一个移相器隔开，首先来看频率检测模块，一号缝隙耦合结构连接到第二端口，第二端口与一号单刀双掷开关的输入端相连，一号单刀双掷开关的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和一号直接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构连接到第三端口，第三端口与二号单刀双掷开关的输入端相连，二号单刀双掷开关的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号直接式热电式功率传感器，而一号Wilkinson功合器的输出端连接到三号直接式热电式功率传感器；再看相位检测模块，三号缝隙耦合结构与第四端口相连，第四端口连接到二号Wilkinson功合器，四号缝隙耦合结构与第五端口相连，第五端口连接到三号Wilkinson功合器，参考信号通过四号Wilkinson功分器的输入端输入，四号Wilkinson功分器的输出端分别连接到二号Wilkinson功合器和三号Wilkinson功合器，然后，二号Wilkinson功合器的输出端连接四号直接式热电式功率传感器，三号Wilkinson功合器的输出端连接五号直接式热电式功率传感器，第六端口处连接着后续处理电路。

首先，对于毫米波的频率检测模块，它主要是由两个缝隙耦合结构、一段移相器、两个单刀双掷开关、一个Wilkinson功合器以及一个直接式功热电式率传感器所构成，毫米波信号首先经过第一个缝隙耦合结构耦合出小部分的信号P₁，然后经过一段移相器之后再由另一个缝隙耦合结构耦合出部分的信号P₂，这样两个耦合信号之间就产生了一定的相位差实际上这段移相器就是一段共面波导传输线，它的长度设置为以中心频率f₀为35GHz处波长的1/4，此时相位差就是90°，但是当频率f变化时，相位差是频率f的函数：

其中f为毫米波信号的频率，c为光速，ε_er为传输线的相对介电常数，ΔL为移相器的长度，因此只要测出的值，就能得到频率f的大小。于是将两个耦合信号P₁、P₂经过Wilkinson功合器进行合成，再用直接式热电式功率传感器去检测合成信号功率P_s的大小，合成信号的功率P_s是关于相位差的三角函数关系：

由于耦合信号P₁、P₂的大小未知，因此这里采用了两个单刀双掷开关将两个耦合出来的小信号率先进行功率检测，得到其功率大小，然后再通过Wilkinson功合器进行功率合成，于是由公式(2)就能计算出频率f的大小。注意这里的相位差只是两个耦合小信号之间的相位差，并不是原毫米波信号的相位Φ，还需要通过相位检测模块来精确确定原毫米波信号的相位Φ。

其次，对于毫米波的相位检测模块，同样地也是由两个缝隙耦合结构耦合出部分小信号P₃和P₄，由于缝隙尺寸相同，所以它们的功率大小等于之前测得的耦合小信号P₁和P₂，它们的初始相位都为Φ，只是其中第二个缝隙耦合信号多传播了相位参考信号P_c经过Wilkinson功分器分解成左右两路一模一样的信号，左边一路信号与第一个缝隙耦合信号进行功率合成，得到合成功率P_L，它是关于相位Φ的三角函数关系；而右边一路信号与第二个缝隙耦合信号进行功率合成，得到合成功率P_R，它是关于相位的三角函数关系；

其中P₃＝P₁、P₄＝P₂，结合这两个关系式，不仅可以得到相位Φ的大小，还可以得到相位的超前或滞后关系。

有益效果：在本发明中，采取了简单新颖的缝隙耦合结构，这种缝隙耦合结构能够将在共面波导中传播的电磁场能量耦合出小部分，利用这耦合出的小信号来检测原毫米波信号的频率和相位大小，同时由于耦合出的信号能量非常小，因此几乎对原毫米波信号影响不大，原毫米波信号可以继续向后传播，非常有效的实现了未知频率下毫米波信号的相位检测，大大提高了信号检测器的效率，具有较高的潜在应用价值。

附图说明

图1为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器的俯视图

图2为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器中单刀双掷开关的俯视图

图3为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器中单刀双掷开关AA’方向的剖面图

图4为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器中Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的俯视图

图5为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器中直接式热电式功率传感器的俯视图

图6为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器中直接式热电式功率传感器AA’方向的剖面图

图7为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器中直接式热电式功率传感器BB’方向的剖面图

图中包括：共面波导1，缝隙耦合结构2-1，缝隙耦合结构2-2，缝隙耦合结构2-3，缝隙耦合结构2-4，移相器3，频率检测模块4，相位检测模块5，隔离电阻6，非对称共面带线7，空气桥8，金属臂9，P型半导体臂10，欧姆接触11，热端12，冷端13，隔直电容14，输出电极15，隔直电容下极板16，Si₃N₄介质层17，隔直电容上极板18，衬底膜结构19，高阻Si衬底20，SiO₂层21，一号单刀双掷开关22，二号单刀双掷开关23，开关梁24，锚区25，开关下拉电极板26，第一端口1-1，第二端口1-2，第三端口1-3，第四端口1-4，第五端口1-5，第六端口1-6。

具体实施方案

本发明的硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器是基于高阻Si衬底20制作的，是由共面波导1、一号缝隙耦合结构2-1、二号缝隙耦合结构2-2、三号缝隙耦合结构2-3、四号缝隙耦合结构2-4、移相器3、一号单刀双掷开关22、二号单刀双掷开关23、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及五个直接式热电式功率传感器所构成。

单刀双掷开关22是由共面波导1、锚区25、Si₃N₄介质层17、开关下拉电极板26和开关梁24组成的，共面波导1连接到锚区25上，锚区25与两条不同支路上的开关梁24相连接，其中一条支路连接直接式热电式功率传感器，另一条支路连接Wilkinson功合器的输入端，开关梁24下方存在着一层空气间隙，在这个空气间隙中安置有开关下拉电极板26，而在开关下拉电极板26上还覆盖着一层Si₃N₄介质层17。

Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的结构是相同的，主要由共面波导1、非对称共面带线7和隔离电阻6构成，其中两条长度相同的非对称共面带线7能够将共面波导1上的毫米波信号分为相等的两部分，而隔离电阻6位于两条非对称共面带线7的末端。

采用直接式热电式功率传感器来实现热电转换，它主要由共面波导1、金属臂9、P型半导体臂10以及一个隔直电容14构成，其中金属臂9和P型半导体臂10构成的两个热电偶是并联连接的，而共面波导1直接与这两个热电偶的一端相连。

具体结构的连接关系如下：第一端口1-1是信号输入端，一号缝隙耦合结构2-1和二号缝隙耦合结构2-2位于共面波导1上侧地线，三号缝隙耦合结构2-3和四号缝隙耦合结构2-4则位于共面波导1下侧地线，这两对缝隙关于中心信号线对称，它们之间由一个移相器3隔开，首先来看频率检测模块4，一号缝隙耦合结构2-1连接到第二端口1-2，第二端口1-2与一号单刀双掷开关22的输入端相连，一号单刀双掷开关22的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和一号直接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构2-2连接到第三端口1-3，第三端口1-3与二号单刀双掷开关23的输入端相连，二号单刀双掷开关23的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号直接式热电式功率传感器，而一号Wilkinson功合器的输出端连接到三号直接式热电式功率传感器；再看相位检测模块5，三号缝隙耦合结构2-3与第四端口1-4相连，第四端口1-4连接到二号Wilkinson功合器，四号缝隙耦合结构2-4与第五端口1-5相连，第五端口1-5连接到三号Wilkinson功合器，参考信号通过四号Wilkinson功分器的输入端输入，四号Wilkinson功分器的输出端分别连接到二号Wilkinson功合器和三号Wilkinson功合器，然后，二号Wilkinson功合器的输出端连接四号直接式热电式功率传感器，三号Wilkinson功合器的输出端连接五号直接式热电式功率传感器，第六端口1-6处连接着后续处理电路。

本发明的硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器的制备方法为：

1)准备高阻Si衬底20(4000Ω·cm)，厚度为400um；

2)热氧化生长一层SiO₂层21，厚度为1.2um；

3)淀积一层多晶硅，P型离子注入(掺杂浓度为10¹⁵cm^-2)，以达到制作Wilkinson功分器的隔离电阻6和热电偶金属臂9的电阻率要求。

4)利用掩模版对要制作热电偶P型半导体臂10的地方再次进行P型离子注入，达到P型半导体臂10的电阻率要求；

5)涂覆光刻胶，对多晶硅层进行光刻，最终形成隔离电阻6、热电偶的金属臂9和P型半导体臂10；

6)在热电偶的金属臂9和P型半导体臂10连接处制作欧姆接触11；

7)在衬底上涂覆光刻胶，去除传输线、隔直电容14、输出电极15和开关下拉电极板26处的光刻胶，蒸发一层种子层Ti，厚度为然后制备第一层金，厚度为0.3um，通过剥离工艺去除保留的光刻胶，连带去除在光刻胶上面的金属层，初步形成传输线、隔直电容的下极板16、输出电极15和开关下拉电极板26；

8)在前面步骤处理得到的Si衬底上，通过PECVD生成一层厚的Si₃N₄介质层，光刻Si₃N₄介质层，仅保留要制作隔直电容14、空气桥8和开关梁24处的Si₃N₄介质层17；

9)淀积一层1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满所有凹坑；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留空气桥8和开关梁24下方的聚酰亚胺牺牲层；

10)涂覆光刻胶，去除预备制作传输线、隔直电容14、输出电极15、空气桥8和开关梁24处的光刻胶，蒸发一层种子层Ti，厚度为制备第二层金，厚度为2um，最后，去除保留的光刻胶，形成传输线、隔直电容的上极板18、输出电极15、空气桥8和开关梁24；

11)在衬底的背面涂覆光刻胶，去除预备在衬底背面形成薄膜结构19地方的光刻胶，在热电偶中间区域即热端12下方刻蚀减薄Si衬底，形成衬底膜结构19，保留约为40μm厚的膜结构；

12)释放聚酰亚胺牺牲层，以去除空气桥8和开关梁24下方的聚酰亚胺牺牲层；最后，在去离子水中浸泡5分钟，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

本发明的不同之处在于：

本发明采用了新颖的缝隙耦合结构，这种缝隙耦合结构能够将在共面波导中传播的电磁场能量耦合出一部分，从而利用这耦合出的部分小信号来检测原毫米波信号的频率和相位大小，从而实现了未知频率下的毫米波相位检测；功率分配器和功率合成器都采用Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的结构来实现功率的平分或合成；至于对合成信号的检测，则采用直接式热电式功率传感器来实现热电转换。这些结构不仅简化了电路版图，降低了制作成本，而且大大提高了毫米波信号的检测效率，同时由于耦合出的信号能量和原信号相比非常小，因此几乎对原毫米波信号影响不大，原毫米波信号可以继续向后传播进行后续的电路处理。

满足以上条件的结构即视为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式直接式毫米波相位检测器。