基于mems间接式微波功率传感器的锁相混频器及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明提出了基于MEMS间接式微波功率传感器的锁相混频器及制备方法，属于微 电子机械系统(MEMS)的技术领域。
【背景技术】
[0002] 锁相混频器(phase locked mixer)是完成混频功能的锁相环。在锁相环的反馈通 路中插入混频器和中频放大器可以构成锁相混频器。锁相混频器可以实现输出信号频率等 于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合，并能使输出信号的频率能跟随输入信号的 频率变化而变化。锁相混频器在频率合成和锁相接收机中得到广泛应用。当前大多数锁相 混频器具有精度很高的优点，但是也有着电路结构复杂、尺寸较大的缺点。随着微电子技术 的突飞猛进，新材料、新技术、新工艺不断涌现，促使对无线通信系统和雷达系统等电子设 备的要求不断提高：简单的结构，较小的体积以及精度较高的锁相混频器电路成为一种趋 势。当前，MEMS技术得到了快速发展，MEMS间接式微波功率传感器的研究日趋成熟，使基于 MEMS间接式微波功率传感器的锁相混频器及制备方法成为可能。
【发明内容】
[0003] 为解决目前锁相混频器存在的不足，本发明提出基于MEMS间接式微波功率传感器 的锁相混频器，该锁相混频器结构简单、体积更小、精度更高。
[0004] 为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] 基于MEMS间接式微波功率传感器的锁相混频器，包括衬底、设置在衬底上的功合 器和MEMS间接式微波功率传感器、以及外接的压控振荡器、混频器和中频放大器电路，在衬 底上定义一条对称轴线;功合器形成沿对称轴线对称的结构，包括地线、共面波导传输线、 两段不对称共面带线、隔离电阻、两组固支梁和锚区;MEMS间接式微波功率传感器包括两组 终端电阻、金属热偶臂、半导体热偶臂、金属连接线和两个直流输出块。
[0006] 所述地线形成沿对称轴线对称的结构，包括对称位于对称轴线两侧且不相接触的 两段侧边地线、对称位于对称轴线上的一段公共地线。
[0007] 所述共面波导传输线形成沿对称轴线对称的结构，包括位于对称轴线两侧且不相 连接的两段输入共面波导传输线、对称位于对称轴线上的一段输出共面波导传输线;所述 两段输入共面波导传输线分别与两段不对称共面带线输入端相连接;所述两段不对称共面 带线输入端通过隔离电阻隔离，所述两段不对称共面带线输出端相连接后接入输出共面波 导传输线;所述两段不对称共面带线和隔离电阻形成沿对称轴线对称的结构;所述两段输 入共面波导传输线分别作为参考信号输入端口和反馈信号输入端口，所述输出共面波导传 输线作为信号输出端口。
[0008] 所述两组固支梁分别设置在对称轴线的两侧且相对对称轴线对称，所述固支梁跨 接在位于同一侧的输入共面波导传输部分的上方，两端分别通过锚区固定在位于同一侧的 地线侧边地线和公共地线上。
[0009] 所述输出共面波导传输线分别与两段侧边地线通过一组终端电阻相连接，所述两 组终端电阻分别对应设置有一组热电偶；所述两组热电偶的一端通过金属连接线串联连 接，另一端分别通过金属连接线与直流输出块相连接;其中一个直流输出块与压控振荡器 输入端相连接，另一个直流输出块接地;所述热电偶由金属热偶臂和半导体热偶臂组成。
[0010] 所述压控振荡器的输出端与混频器的一个输入端相连，所述混频器的另一个输入 端作为混频信号的输入端，所述混频器的输出端接中频放大器的输入端，所述中频放大器 的输出端与反馈信号输入端口相连。
[0011] 功合器固支梁与下方的共面波导传输线构成补偿电容，该补偿电容的设计可以实 现电路阻抗匹配的同时缩小功分器的尺寸，使整个锁相混频器的集成度更高。混频信号加 在混频器的一个输入端，压控振荡器的输出信号反馈到混频器的另一个输入端，使得混频 器的输出为差频或和频信号，混频器的输出端经中频放大器加在功合器的一个输入端，参 考信号加在功合器的另一个输入端，经MEMS间接式微波功率传感器检测，得到与参考信号 和压控振荡器输出信号的相位差成比例的电压，该电压加到压控振荡器的输入端，使压控 振荡器的输出信号频率随着所输入的电压的变化而变化，若环路设计得当，在环路锁定时， 压控振荡器输出信号的频率等于参考信号和混频信号的差频或和频。
[0012] 更进一步的，所述共面波导传输线(3)和固支梁（12)之间设有氮化硅介质层（11)， 所述氮化硅介质层（11)覆盖在共面波导传输线（3)上，使功合器固支梁与下方的共面波导 传输线构成补偿电容。
[0013] 本发明还提出基于MEMS间接式微波功率传感器的锁相混频器的制备方法，包含如 下步骤：
[0014] (1)制作砷化镓衬底: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1018cm-3,其方块电阻值为100~130 Ω /□;
[0015] (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；
[0016] (3)反刻N+砷化镓，形成其掺杂浓度为1017cm-3的热电堆的半导体热偶臂；
[0017 ](4)光刻:去除将要保留金锗镍/金地方的光亥嫌；
[0018] (5)溅射金锗镍/金，其厚度共为2700A;
[0019] (6)剥离，形成热电堆的金属热偶臂；
[0020] (7)光刻:去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；
[0021] (8)溅射氮化钽，其厚度为Ιμπι;
[0022] (9)剥离；
[0023] (10)光刻:去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；
[0024] (11)蒸发第一层金，其厚度为0·3μπι;
[0025] (12)剥离，形成共面波导传输线(CPW)、不对称共面带线(ACPS)、地线、MEMS固支梁 的锚区、直流输出块和金属连接线；
[0026] (13)反刻氮化钽，形成终端电阻，其方块电阻为25 Ω/口；
[0027] (14)淀积氮化硅：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺生长厚的氮化硅介质 层；
[0028] (15)光刻并刻蚀氮化硅介质层:保留在MEMS固支梁下方共面波导传输线（CPW)上 的氮化硅；
[0029] (16)淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层:在砷化镓衬底上涂覆1.6μπι厚的聚酰亚胺牺牲 层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了 MEMS固支梁与其下方在主线共面波导传 输线（CPW)上氮化硅介质层之间的距离；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留固支梁下方的牺牲 层；
[0030] (17)蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/300Α:蒸发用于电镀的底金；
[0031] (18)光刻:去除要电镀地方的光刻胶；
[0032] (19)电镀金，其厚度为2μπι;
[0033] (20)去除光刻胶:去除不需要电镀地方的光刻胶；
[0034] (21)反刻钛/金/钛，腐蚀底金，形成共面波导传输线（CPW)、不对称共面带线 (ACPS)、地线、MEMS固支梁、直流输出块和金属连接线；
[0035] (22)将该砷化镓衬底背面减薄至100μπι;
[0036] (23)释放聚酰亚胺牺牲层:显影液浸泡，去除MEMS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；
[0037] (24)外接压控振荡器、混频器和中频放大器。
[0038] 有益效果：（1)本发明的锁相混频器基于MEMS间接式微波功率传感器，具有结构新 颖，电路尺寸小的优点，而且具有较高的精度；（2)本发明的锁相混频器易于集成，并且与 GaAs单片微波集成电路兼容；（3)本发明的锁相混频器中的功合器固支梁与其下方的共面 波导传输线构成补偿电容，该补偿电容的设计可以实现电路阻抗匹配的同时缩小功分器的 尺寸，使整个锁相混频器的集成度更高。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明的锁相混频器结构俯视图；
[0040] 图2是图1的A-A'剖面图；
[0041 ] 图3是图1的B-B'剖面图。
【具体实施方式】：
[0042] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0043] 如图1所示，本发明提出的基于MEMS间接式微波功率传感器的锁相混频器，包括以 砷化镓(GaAs)为材料的衬底1、设置在衬底1上的功合器和MEMS间接式微波功率传感器、以 及外接的压控振荡器、混频器和中频放大器电路，在衬底1上定义一条对称轴线，如图2所 不。
[0044] 功合器形成沿对称轴线对称的结构，包括地线2、共面波导传输线3、两段不对称共 面带线4、隔离电阻5、两组固支梁12和锚区13;功合器的作用是将参考信号和经中频放大器 输出的信号进行矢量合成。进行矢量合成的两支微波信号之间存在一个相位差，合成信号 的功率与该相位差存在一个余弦函数的关系。
[0045] MEMS间接式微波功率传感器包括两组终端电阻6、金属热偶臂7、半导体热偶臂8、 金属连接线9和两个直流输出块10;MEMS间接式微波功率传感器基于Seebeck原理检测合成 信号功率的大小，并以电压形式输出。
[0046] 地线2形成沿对称轴线对称的结构，包括对称位于对称轴线两侧且不相接触的两 段侧边地线、对称位于对称轴线上的一段公共地线；
[0047] 共面波导传输线3形成沿对称轴线对称的结构，包括位于对称轴线两侧且不相连 接的两段输入共面波导传输线、对称位于对称轴线上的一段输出共面波导传输线;所述两 段输入共面波导传输线分别与两段不对称共面带线4输入端相连接;所述两段不对称共面 带线4输入端通过隔离电阻5隔离，所述两段不对称共面带线4输出端相连接后接入输出共 面波导传输线;所述两段不对称共面带线4和隔离电阻5形成沿对称轴线对称的结构;所述 两段输入共面波导传输线分别作为参考信号输入端口和反馈信号输入端口，所述输出共面 波导传输线作为信号输出端口；如图3所示，所述共面波导传输线3和固支梁12之间设有氮 化硅介质层11，所述氮化硅介质层11覆盖在共面波导传输线3上，使功合器固支梁与下方的 共面波导传输线构成补偿电容。
[0048]两组固支梁12分别设置在对称轴线的两侧且相对对称轴线对称，所述固支梁12跨 接在位于同一侧的输入共面波导传输部分的上方，两端分别通过锚区13固定在位于同一侧 的地线2侧边地线和公共地线上；
[0049] 输出共面波导传输线分别与两段