基于固支梁的在线式微波相位检测器的制作方法

本发明提出了基于固支梁的在线式微波相位检测器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术：

在微波技术研究中，作为表征信号的三大参数(幅度、频率和相位)之一的微波相位是微波信号的一个重要参数。随着雷达和天线技术的发展，相位的检测变得越来越重要，微波相位检测系统的研究也被人们越来越重视。目前，微波信号相位检测系统的设计均是针对检测同频率信号之间的相位差。现有的相位检测方法有以下几种：利用二极管检波，利用乘法器结构和利用矢量运算法实现相位检测，以上方法的缺点是都需要相对复杂的结构。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微波相位检测器具有简单的结构，小的体积以及小的功耗。MEMS系统具有体积小、功耗低、成本低等优点。本发明的目的正是要提出一种基于MEMS技术的在线式微波信号相位检测器的实现方法。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是提出一种基于固支梁的在线式微波相位检测器，本发明采用了固支梁结构耦合微波信号，在微波信号的功率检测方面采用间接热电式微波功率传感器，在微波相位检测方面采用矢量合成法，从而实现了在线式微波相位的检测。

技术方案：基于固支梁的在线式微波相位检测器，在高阻硅衬底上设有待测信号传输线、固支梁结构、功合器以及两个间接热电式微波功率传感器，所述的共面波导传输线由共面波导传输线的信号线和地线构成，所述的固支梁结构由固支梁和锚区构成，固支梁结构位于共面波导传输线的信号线上方，固支梁结构的上侧的锚区通过间接热电式微波功率传感器1，固支梁结构的下侧的锚区通过功合器的共面波导传输线的信号线连接功合器的一个输入端，功合器的另一个输入端通过功合器的共面波导传输线的信号线连接到参考信号输入端口，功合器的输出端通过功合器的共面波导传输线的信号线连接至间接热电式微波功率传感器2。

所述的功合器包括隔离电阻、ACPS信号线和共面波导传输线的信号线；所述的间接热电式微波功率传感器包括金属热偶臂、半导体热偶臂、欧姆接触区、终端电阻、直流输出块和共面波导传输线的信号线。

待测微波信号从共面波导传输线的信号线中间经过时，固支梁在线耦合出部分微波信号。耦合出的微波信号分为两路，一路输入间接热电式微波功率传感器1检测出固支梁耦合出的微波信号在其一端的功率P₁，另一路输入功合器，与已知功率P₂的参考信号进行矢量合成，再由间接热电式微波功率传感器2检测合成后的微波信号功率P₃，待测信号与参考信号的相位差为合成信号与相位差之间存在一个余弦函数的关系：

基于公式(1)最终可以推导出:

本发明提供了一种基于固支梁的在线式微波相位检测器，位于共面波导传输线上方的固支梁在线耦合出部分微波信号，固支梁一端连接间接热电式微波功率传感器1检测功率大小，另一端输入功合器与参考信号进行矢量合成。根据间接热电式微波功率传感器2直流输出电压的大小，计算出待测信号的相位。本发明的基于固支梁的在线式微波相位检测器，不但具有易于测量的优点，而且能够实现对微波信号相位的在线式检测，易于集成以及与高阻硅单片微波集成电路兼容的优点。

同时，由于固支梁耦合出来的信号功率很小，大部分的信号能够继续通过共面波导传输线向后传播并进行后续的信号处理，从而实现了在线式微波相位的检测。

有益效果：本发明是基于固支梁的在线式微波相位检测器，采用了结构简单的固支梁结构耦合微波信号，由于耦合出来的信号功率很小，大部分的信号能够继续通过共面波导传输线向后传播并进行后续的信号处理，从而实现了在线式微波相位的检测。

附图说明

图1为本发明的基于固支梁的在线式微波相位检测器俯视图；

图2为图1基于固支梁的在线式微波相位检测器的A-A’剖面图；

图3为图1基于固支梁的在线式微波相位检测器的B-B’剖面图；

图中包括：高阻硅衬底1，共面波导传输线的信号线2、地线3，固支梁结构的固支梁4、第一锚区5和第二锚区6，绝缘介质层7，功合器的隔离电阻8、ACPS信号线9、第一共面波导传输线的信号线10、第二共面波导传输线的信号线11和第三共面波导传输线的信号线12，间接热电式微波功率传感器1的金属热偶臂13、半导体热偶臂14、欧姆接触区15、终端电阻16、直流输出块17和共面波导传输线的信号线18，间接热电式微波功率传感器2的金属热偶臂19、半导体热偶臂20、欧姆接触区21、终端电阻22和直流输出块23，SiO₂层24。在高阻硅衬底1上制备一次SiO₂层24，在SiO₂层24上设有共面波导传输线、固支梁结构、功合器以及间接热电式微波功率传感器1和间接热电式微波功率传感器2。

具体实施方式

本发明的基于固支梁的在线式微波相位检测器制作在高阻硅衬底1上，在高阻硅衬底上制备有一层SiO₂层24，在SiO₂层24上设有共面波导传输线、固支梁结构、功合器以及间接热电式微波功率传感器1和间接热电式微波功率传感器2。共面波导传输线由共面波导传输线的信号线2和地线3构成。

共面波导传输线由共面波导传输线的信号线2和地线3构成；固支梁结构由固支梁结构的固支梁4、第一锚区5和第二锚区6构成；功合器由隔离电阻8、ACPS信号线9、第一共面波导传输线的信号线10、第二共面波导传输线的信号线11和第三共面波导传输线的信号线(12)构成；间接热电式微波功率传感器1由金属热偶臂13、半导体热偶臂14、欧姆接触区15、终端电阻16、直流输出块17和共面波导传输线的信号线18构成；间接热电式微波功率传感器2由金属热偶臂19、半导体热偶臂20、欧姆接触区21、终端电阻22和直流输出块23构成。

固支梁结构位于共面波导传输线的信号线2上的绝缘介质层7的上方。当待测微波信号通过共面波导传输线时，固支梁结构耦合出部分微波信号，并且分别由固支梁结构的第一锚区和第二锚区6输出。固支梁结构的第一锚区5通过间接热电式微波功率传感器1的共面波导传输线的信号线18将耦合微波信号输向间接热电式微波功率传感器1，并检测出其功率P₁；固支梁结构的第二锚区6通过功合器的第一共面波导传输线的信号线10将耦合微波信号输向功合器的输入端，其通过功合器与功率为P₂的参考信号矢量合成，合成后的信号功率为P₃。记待测微波信号和参考信号的相位差为则经功合器输出的合成信号的功率与相位差存在余弦函数关系：

基于公式(1)最终可以推导出:

同时，由于固支梁耦合出来的信号功率很小，大部分的信号能够继续通过共面波导传输线向后传播并进行后续的信号处理，从而实现了在线式微波相位的检测。

本发明的基于固支梁的在线式微波相位检测器的制备方法为：

1)准备4英寸高阻Si衬底，电阻率为4000Ω·cm，厚度为400mm；

2)热生长一层厚度为1.2mm的SiO₂层；

3)化学气相淀积(CVD)生长一层多晶硅，厚度为0.4mm；

4)光刻并隔离外延的N⁺高阻硅，形成热电堆的半导体热偶臂的图形和欧姆接触区；

5)反刻N⁺高阻硅，形成其掺杂浓度为10¹⁷cm^-3的热电堆的半导体热偶臂；

6)光刻：去除将要保留金锗镍/金地方的光刻胶；

7)剥离，形成热电堆的金属热偶臂；

8)光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；

9)溅射氮化钽，其厚度为1μm；

10)剥离；

11)涂覆一层光刻胶，光刻去除共面波导传输线、ACPS信号线、热电堆金属互连线以及输出电极处的光刻胶；

12)电子束蒸发(EBE)形成第一层金(Au)，厚度为0.3mm，去除光刻胶以及光刻胶上的Au，剥离形成传输线的第一层Au、热电堆金属互连线以及输出电极；

13)淀积(LPCVD)一层Si₃N₄，厚度为0.1mm；

14)涂覆一层光刻胶，光刻并保留固支梁下方的光刻胶，干法刻蚀Si₃N₄，形成Si₃N₄介质层；

15)均匀涂覆一层聚酰亚胺并光刻图形，厚度为2mm，保留固支梁下方的聚酰亚胺作为牺牲层；

16)涂覆光刻胶，光刻去除固支梁、固支梁锚区、共面波导传输线、ACPS信号线以及输出电极位置的光刻胶；

17)蒸发500/1500/300A^°的Ti/Au/Ti的种子层，去除顶部的Ti层后再电镀一层厚度为2mm的Au层；

18)去除光刻胶以及光刻胶上的Au，形成固支梁、固支梁锚区、共面波导传输线、ACPS信号线和输出电极；

19)深反应离子刻蚀(DRIE)衬底材料背面，制作热电堆下方的薄膜结构；

20)释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除固支梁下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

区别是否为本发明结构的标准如下：

本发明的基于固支梁的在线式微波相位检测器采用固支梁耦合微波信号，有两个间接热电式微波功率传感器和一个功合器。当待测微波信号通过共面波导传输线时，固支梁耦合出一小部分微波信号，并且分别由固支梁结构的两端锚区输出。一端锚区通过共面波导传输线的信号线将耦合微波信号输向间接热电式微波功率传感器；另一端通过共面波导传输线的信号线将耦合微波信号输向功合器，其通过功合器与参考信号矢量合成。合成信号的功率与微波信号间的相位差存在余弦函数关系。最终利用矢量合成原理来实现微波信号相位的在线式检测。

满足以上条件的结构即视为本发明的基于固支梁的在线式微波相位检测器。