硅基未知频率缝隙耦合式间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间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：

在当今信息技术飞速发展的时代，人们对信号测量和处理的研究也越来越深刻，从以前的低频信号到高频率的微波信号再到更高频率的光信号等，这些信号的测量难度也越来越大。毫米波信号是介于微波信号和光信号之间的一种高频信号，频率和相位是毫米波信号的两个非常重要的参数，毫米波的相位测量技术和频率测量技术在军事、航天航空以及通信领域都有着非常广泛的应用，一般而言，毫米波的相位测量是需要知道其频率的，这样才能确定参考信号的频率大小，但是在未知频率的情况下，就需要先行测量出毫米波的频率，再进行毫米波的相位测量，这样就揭示出了毫米波频率测量和相位测量的集成性问题，现有的未知频率下的毫米波相位检测器不仅结构复杂、成本较高，而且可靠性也不高，检测效率偏低。

针对未知频率下毫米波相位检测的难题，随着对共面波导缝隙耦合结构、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及间接式热电式功率传感器的深入研究，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，这种利用缝隙耦合结构的在线相位检测器不仅结构简单新颖，而且能够将频率检测和相位检测集成到一起，具有较高的潜在应用价值。

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间接式毫米波相位检测器，为了解决毫米波频率检测和相位检测的集成问题，本发明采用了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较为常见的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间接式热电式功率传感器，从而高效简便地实现了对未知频率下的毫米波相位测量。

技术方案：本发明的硅基未知频率缝隙耦合式间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功合器以及五个间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功合器和一号间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功合器和二号间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间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间接式热电式功率传感器，三号Wilkinson功合器的输出端连接五号间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功合器以及一个间接式功热电式率传感器所构成，毫米波信号首先经过一号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二号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，再用间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得到P_s的大小，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，为了实现未知频率下的毫米波在线相位检测，采用了简单新颖的缝隙耦合结构，这种结构能将小部分的毫米波信号耦合出来，并利用这部分耦合信号来实现频率和相位检测的集成，而大部分的信号能够继续在共面波导上传播并进行后续信号处理，其中功分器和功合器采用的Wilkinson功分器和Wilkinson功合器结构，功率检测器则采用了间接式热电式功率传感器，这些结构能非常有效的集成在一起，大大的提高了信号检测的效率。

附图说明

图1为本发明的硅基未知频率缝隙耦合式间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间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间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间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间接式毫米波相位检测器中间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间接式毫米波相位检测器中间接式热电式功率传感器的剖面图

图中包括：频率检测模块1，相位检测模块2，共面波导3，移相器4，缝隙耦合结构5-1，缝隙耦合结构5-2，缝隙耦合结构5-3，缝隙耦合结构5-4，高阻Si衬底6，SiO₂层7，电阻8，热电堆9，P型半导体臂10，N型半导体臂11，欧姆接触12，输出电极13，非对称共面带线14，空气桥15，衬底膜结构16，热端17，冷端18，一号单刀双掷开关19，二号单刀双掷开关20，开关梁21，锚区22，Si₃N₄介质层23，开关下拉电极板24，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间接式毫米波相位检测器是制作在高阻Si衬底6上，是由共面波导3、一号缝隙耦合结构5-1、二号缝隙耦合结构5-2、三号缝隙耦合结构5-3、四号缝隙耦合结构5-4、移相器4、一号单刀双掷开关19、二号单刀双掷开关20、一个Wilkinson功分器、三个Wilkinson功合器以及五个间接式热电式功率传感器所构成。

单刀双掷开关19是由共面波导3、锚区22、Si₃N₄介质层23、开关下拉电极板24和开关梁21组成的，共面波导3连接到锚区22上，锚区22与两条不同支路上的开关梁21相连接，其中一条支路连接间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21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24，而在开关下拉电极板24上还覆盖着一层Si₃N₄介质层23。

Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的结构是相同的，主要由共面波导3、非对称共面带线14和电阻5构成，其中两条长度相同的非对称共面带线14能够将共面波导3上的毫米波信号分为相等的两部分，而电阻8位于两条非对称共面带线14的末端。

采用间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(3)、两个电阻8以及热电堆9所构成，而热电堆9又是由P型半导体臂10和N型半导体臂11通过欧姆接触12级联组成，其中共面波导3与两个电阻8相连，而热电堆9与终端电阻8之间有一段间隔。

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5-1和二号缝隙耦合结构5-2位于共面波导3上侧地线，三号缝隙耦合结构5-3和四号缝隙耦合结构5-4则位于共面波导3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4隔开，首先来看频率检测模块1，一号缝隙耦合结构5-1连接到第二端口1-2，第二端口1-2与一号单刀双掷开关19的输入端相连，一号单刀双掷开关19的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和一号间接式热电式功率传感器，同样的，二号缝隙耦合结构5-2连接到第三端口1-3，第三端口1-3与二号单刀双掷开关20的输入端相连，二号单刀双掷开关20的输出端分别连接到一号Wilkinson功合器和二号间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间接式热电式功率传感器；再看相位检测模块2，三号缝隙耦合结构5-3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5-4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间接式热电式功率传感器，三号Wilkinson功合器的输出端连接五号间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间接式毫米波相位检测器的制备方法为：

1)准备高阻Si衬底6(4000Ω·cm)，厚度为400um；

2)热氧化生长一层SiO₂层7，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)，以达到制作电阻8的要求。

4)利用掩模版1对要制作热电堆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)利用掩模版2对要制作热电堆N型半导体臂11的地方进行N型离子注入，达到N型半导体臂11的电阻率要求；

6)涂覆光刻胶，对多晶硅层进行光刻，最终形成电阻8、热电堆9的P型半导体臂10和N型半导体臂11；

7)在热电堆的P型半导体臂10和N型半导体臂11连接处制作欧姆接触12；

8)在衬底上涂覆光刻胶，去除传输线、输出电极13和开关下拉电极板24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、输出电极13和开关下拉电极板24；

9)在前面步骤处理得到的高阻Si衬底6上，通过PECVD生成一层厚的Si₃N₄介质层，光刻Si₃N₄介质层，仅保留空气桥15和开关梁21下方的Si₃N₄介质层；

10)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15和开关梁21下方的聚酰亚胺牺牲层；

11)涂覆光刻胶，去除预备制作传输线、输出电极13、空气桥15和开关梁21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、输出电极13、空气桥15和开关梁21；

12)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16处的光刻胶，在终端负载电阻8和热电堆9热端下方刻蚀减薄Si衬底，形成衬底膜结构16，保留约为40μm厚的膜结构；

13)释放聚酰亚胺牺牲层，以去除空气桥15和开关梁21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，则采用间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间接式毫米波相位检测器。