本發(fā)明提出了基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在微波技術(shù)研究中，作為表征信號(hào)的三大參數(shù)(幅度、頻率和相位)之一的微波相位是微波信號(hào)的一個(gè)重要參數(shù)。隨著雷達(dá)和天線技術(shù)的發(fā)展，相位的檢測(cè)變得越來越重要，微波相位檢測(cè)系統(tǒng)的研究也被人們?cè)絹碓街匾?。目前，微波信?hào)相位檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)均是針對(duì)檢測(cè)同頻率信號(hào)之間的相位差?，F(xiàn)有的相位檢測(cè)方法有以下幾種：利用二極管檢波，利用乘法器結(jié)構(gòu)和利用矢量運(yùn)算法實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)，以上方法的缺點(diǎn)是都需要相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代個(gè)人通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)要求微波相位檢測(cè)器具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，小的體積以及小的功耗。MEMS系統(tǒng)具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的目的正是要提出一種基于MEMS技術(shù)的在線式微波信號(hào)相位檢測(cè)器的實(shí)現(xiàn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提出一種基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器，本發(fā)明采用了固支梁結(jié)構(gòu)耦合微波信號(hào)，在微波信號(hào)的功率檢測(cè)方面采用間接熱電式微波功率傳感器，在微波相位檢測(cè)方面采用矢量合成法，從而實(shí)現(xiàn)了在線式微波相位的檢測(cè)。

技術(shù)方案：基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器，在高阻硅襯底上設(shè)有待測(cè)信號(hào)傳輸線、固支梁結(jié)構(gòu)、功合器以及兩個(gè)間接熱電式微波功率傳感器，所述的共面波導(dǎo)傳輸線由共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線和地線構(gòu)成，所述的固支梁結(jié)構(gòu)由固支梁和錨區(qū)構(gòu)成，固支梁結(jié)構(gòu)位于共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線上方，固支梁結(jié)構(gòu)的上側(cè)的錨區(qū)通過間接熱電式微波功率傳感器1，固支梁結(jié)構(gòu)的下側(cè)的錨區(qū)通過功合器的共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線連接功合器的一個(gè)輸入端，功合器的另一個(gè)輸入端通過功合器的共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線連接到參考信號(hào)輸入端口，功合器的輸出端通過功合器的共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線連接至間接熱電式微波功率傳感器2。

所述的功合器包括隔離電阻、ACPS信號(hào)線和共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線；所述的間接熱電式微波功率傳感器包括金屬熱偶臂、半導(dǎo)體熱偶臂、歐姆接觸區(qū)、終端電阻、直流輸出塊和共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線。

待測(cè)微波信號(hào)從共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線中間經(jīng)過時(shí)，固支梁在線耦合出部分微波信號(hào)。耦合出的微波信號(hào)分為兩路，一路輸入間接熱電式微波功率傳感器1檢測(cè)出固支梁耦合出的微波信號(hào)在其一端的功率P₁，另一路輸入功合器，與已知功率P₂的參考信號(hào)進(jìn)行矢量合成，再由間接熱電式微波功率傳感器2檢測(cè)合成后的微波信號(hào)功率P₃，待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)的相位差為合成信號(hào)與相位差之間存在一個(gè)余弦函數(shù)的關(guān)系：

基于公式(1)最終可以推導(dǎo)出:

本發(fā)明提供了一種基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器，位于共面波導(dǎo)傳輸線上方的固支梁在線耦合出部分微波信號(hào)，固支梁一端連接間接熱電式微波功率傳感器1檢測(cè)功率大小，另一端輸入功合器與參考信號(hào)進(jìn)行矢量合成。根據(jù)間接熱電式微波功率傳感器2直流輸出電壓的大小，計(jì)算出待測(cè)信號(hào)的相位。本發(fā)明的基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器，不但具有易于測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微波信號(hào)相位的在線式檢測(cè)，易于集成以及與高阻硅單片微波集成電路兼容的優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，由于固支梁耦合出來的信號(hào)功率很小，大部分的信號(hào)能夠繼續(xù)通過共面波導(dǎo)傳輸線向后傳播并進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)了在線式微波相位的檢測(cè)。

有益效果：本發(fā)明是基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器，采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的固支梁結(jié)構(gòu)耦合微波信號(hào)，由于耦合出來的信號(hào)功率很小，大部分的信號(hào)能夠繼續(xù)通過共面波導(dǎo)傳輸線向后傳播并進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)了在線式微波相位的檢測(cè)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器俯視圖；

圖2為圖1基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器的A-A’剖面圖；

圖3為圖1基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器的B-B’剖面圖；

圖中包括：高阻硅襯底1，共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2、地線3，固支梁結(jié)構(gòu)的固支梁4、第一錨區(qū)5和第二錨區(qū)6，絕緣介質(zhì)層7，功合器的隔離電阻8、ACPS信號(hào)線9、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線10、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線11和第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線12，間接熱電式微波功率傳感器1的金屬熱偶臂13、半導(dǎo)體熱偶臂14、歐姆接觸區(qū)15、終端電阻16、直流輸出塊17和共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線18，間接熱電式微波功率傳感器2的金屬熱偶臂19、半導(dǎo)體熱偶臂20、歐姆接觸區(qū)21、終端電阻22和直流輸出塊23，SiO₂層24。在高阻硅襯底1上制備一次SiO₂層24，在SiO₂層24上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁結(jié)構(gòu)、功合器以及間接熱電式微波功率傳感器1和間接熱電式微波功率傳感器2。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器制作在高阻硅襯底1上，在高阻硅襯底上制備有一層SiO₂層24，在SiO₂層24上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁結(jié)構(gòu)、功合器以及間接熱電式微波功率傳感器1和間接熱電式微波功率傳感器2。共面波導(dǎo)傳輸線由共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2和地線3構(gòu)成。

共面波導(dǎo)傳輸線由共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2和地線3構(gòu)成；固支梁結(jié)構(gòu)由固支梁結(jié)構(gòu)的固支梁4、第一錨區(qū)5和第二錨區(qū)6構(gòu)成；功合器由隔離電阻8、ACPS信號(hào)線9、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線10、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線11和第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線(12)構(gòu)成；間接熱電式微波功率傳感器1由金屬熱偶臂13、半導(dǎo)體熱偶臂14、歐姆接觸區(qū)15、終端電阻16、直流輸出塊17和共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線18構(gòu)成；間接熱電式微波功率傳感器2由金屬熱偶臂19、半導(dǎo)體熱偶臂20、歐姆接觸區(qū)21、終端電阻22和直流輸出塊23構(gòu)成。

固支梁結(jié)構(gòu)位于共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2上的絕緣介質(zhì)層7的上方。當(dāng)待測(cè)微波信號(hào)通過共面波導(dǎo)傳輸線時(shí)，固支梁結(jié)構(gòu)耦合出部分微波信號(hào)，并且分別由固支梁結(jié)構(gòu)的第一錨區(qū)和第二錨區(qū)6輸出。固支梁結(jié)構(gòu)的第一錨區(qū)5通過間接熱電式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線18將耦合微波信號(hào)輸向間接熱電式微波功率傳感器1，并檢測(cè)出其功率P₁；固支梁結(jié)構(gòu)的第二錨區(qū)6通過功合器的第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線10將耦合微波信號(hào)輸向功合器的輸入端，其通過功合器與功率為P₂的參考信號(hào)矢量合成，合成后的信號(hào)功率為P₃。記待測(cè)微波信號(hào)和參考信號(hào)的相位差為則經(jīng)功合器輸出的合成信號(hào)的功率與相位差存在余弦函數(shù)關(guān)系：

基于公式(1)最終可以推導(dǎo)出:

同時(shí)，由于固支梁耦合出來的信號(hào)功率很小，大部分的信號(hào)能夠繼續(xù)通過共面波導(dǎo)傳輸線向后傳播并進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)了在線式微波相位的檢測(cè)。

本發(fā)明的基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器的制備方法為：

1)準(zhǔn)備4英寸高阻Si襯底，電阻率為4000Ω·cm，厚度為400mm；

2)熱生長一層厚度為1.2mm的SiO₂層；

3)化學(xué)氣相淀積(CVD)生長一層多晶硅，厚度為0.4mm；

4)光刻并隔離外延的N⁺高阻硅，形成熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂的圖形和歐姆接觸區(qū)；

5)反刻N(yùn)⁺高阻硅，形成其摻雜濃度為10¹⁷cm^-3的熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂；

6)光刻：去除將要保留金鍺鎳/金地方的光刻膠；

7)剝離，形成熱電堆的金屬熱偶臂；

8)光刻：去除將要保留氮化鉭地方的光刻膠；

9)濺射氮化鉭，其厚度為1μm；

10)剝離；

11)涂覆一層光刻膠，光刻去除共面波導(dǎo)傳輸線、ACPS信號(hào)線、熱電堆金屬互連線以及輸出電極處的光刻膠；

12)電子束蒸發(fā)(EBE)形成第一層金(Au)，厚度為0.3mm，去除光刻膠以及光刻膠上的Au，剝離形成傳輸線的第一層Au、熱電堆金屬互連線以及輸出電極；

13)淀積(LPCVD)一層Si₃N₄，厚度為0.1mm；

14)涂覆一層光刻膠，光刻并保留固支梁下方的光刻膠，干法刻蝕Si₃N₄，形成Si₃N₄介質(zhì)層；

15)均勻涂覆一層聚酰亞胺并光刻圖形，厚度為2mm，保留固支梁下方的聚酰亞胺作為犧牲層；

16)涂覆光刻膠，光刻去除固支梁、固支梁錨區(qū)、共面波導(dǎo)傳輸線、ACPS信號(hào)線以及輸出電極位置的光刻膠；

17)蒸發(fā)500/1500/300A^°的Ti/Au/Ti的種子層，去除頂部的Ti層后再電鍍一層厚度為2mm的Au層；

18)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成固支梁、固支梁錨區(qū)、共面波導(dǎo)傳輸線、ACPS信號(hào)線和輸出電極；

19)深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作熱電堆下方的薄膜結(jié)構(gòu)；

20)釋放聚酰亞胺犧牲層：顯影液浸泡，去除固支梁下的聚酰亞胺犧牲層，去離子水稍稍浸泡，無水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干。

區(qū)別是否為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下：

本發(fā)明的基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器采用固支梁耦合微波信號(hào)，有兩個(gè)間接熱電式微波功率傳感器和一個(gè)功合器。當(dāng)待測(cè)微波信號(hào)通過共面波導(dǎo)傳輸線時(shí)，固支梁耦合出一小部分微波信號(hào)，并且分別由固支梁結(jié)構(gòu)的兩端錨區(qū)輸出。一端錨區(qū)通過共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線將耦合微波信號(hào)輸向間接熱電式微波功率傳感器；另一端通過共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線將耦合微波信號(hào)輸向功合器，其通過功合器與參考信號(hào)矢量合成。合成信號(hào)的功率與微波信號(hào)間的相位差存在余弦函數(shù)關(guān)系。最終利用矢量合成原理來實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)相位的在線式檢測(cè)。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的基于固支梁的在線式微波相位檢測(cè)器。