本發(fā)明提出了T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術領域。

背景技術：

微波信號相位測量在微波測量中占有十分重要的地位。微波信號相位檢測系統(tǒng)在相位調(diào)制器、相移鍵控、微波定位、天線相位方向圖的測試和近場診斷等方面都有著極其廣泛的應用?，F(xiàn)有的微波相位檢測技術是基于二極管、乘法器結(jié)構(gòu)和矢量運算原理，它們具有低損耗、高靈敏度和寬頻帶的優(yōu)點，然而其最大的缺點是結(jié)構(gòu)相對復雜，并且無法實現(xiàn)在線式的微波相位檢測。隨著微電子技術的發(fā)展，現(xiàn)代個人通信系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)對微波相位檢測器的要求也越來越高。簡單的結(jié)構(gòu)、小的體積以及小的直流功耗成為微波相位檢測器的發(fā)展趨勢。隨著M EMS技術的快速發(fā)展，并對高阻硅金屬半導體場效應晶體管進行了的深入研究，使基于微機械高阻硅基的懸臂梁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)上述功能的在線式微波相位檢測器成為可能。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：本發(fā)明的目的是提出一種T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器，本發(fā)明采用了懸臂梁耦合微波信號，微波信號功率檢測采用直接加熱式微波功率傳感器，微波相位檢測采用矢量合成法，從而實現(xiàn)了微波相位的在線式檢測。

技術方案：T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器，在高阻硅襯底上設有共面波導傳輸線、兩個關于共面波導傳輸線的信號線對稱的懸臂梁結(jié)構(gòu)、T形結(jié)以及兩個直接加熱式微波功率傳感器，共面波導傳輸線由共面波導傳輸線的信號線和地線構(gòu)成，待測微波信號通過共面波導傳輸線，兩個關于共面波導傳輸線的信號線對稱的懸臂梁結(jié)構(gòu)懸于待測信號傳輸線的信號線上方，上側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)通過直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導傳輸線的信號線連接直接加熱式微波功率傳感器1，下側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)通過T形結(jié)的第一共面波導傳輸線的信號線連接T形結(jié)的一個輸入端，另一個輸入端通過T形結(jié)的第二共面波導傳輸線的信號線連接參考信號輸入端口，T形結(jié)的輸出端通過第三共面波導傳輸線的信號線連接直接加熱式微波功率傳感器2。

T型結(jié)由第一空氣橋、第二空氣橋、第三空氣橋、第一共面波導傳輸線的信號線、第二共面波導傳輸線的信號線和第三共面波導傳輸線的信號線構(gòu)成，為三端口器件，可用于功率合成，無需隔離電阻，其中第一空氣橋、第二空氣橋和第三空氣橋用于地線之間的互連，為了方便這些空氣橋的釋放，在其上制作了一組小孔陣列。

直接加熱式微波功率傳感器由半導體熱電偶臂、終端電阻、直流輸出塊11、隔絕直流電容和共面波導傳輸線的信號線構(gòu)成，其作用是基于塞貝克效應對微波功率的大小進行檢測，并以直流電壓的形式輸出檢測結(jié)果。

本發(fā)明提供了一種T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器，位于共面波導傳輸線的信號線上方的兩個完全對稱的懸臂梁在線耦合出部分微波信號，上側(cè)的懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)連接直接加熱式微波功率傳感器檢測功率大小，下側(cè)的懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)將耦合信號輸入T形結(jié)并與參考信號進行矢量合成，T形結(jié)輸出端連接一個直接加熱式微波功率傳感器檢查合成信號功率大小。根據(jù)直接加熱式微波功率傳感器直流輸出電壓的大小，推斷出待測信號的相位。本發(fā)明的T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器，不但具有易于測量的優(yōu)點，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對微波信號相位的在線式檢測，易于集成以及與高阻硅單片微波集成電路兼容的優(yōu)點。

同時，由于懸臂梁耦合出來的信號功率很小，大部分的信號能夠繼續(xù)通過共面波導傳輸線向后傳播并進行后續(xù)的信號處理，從而實現(xiàn)了在線式微波相位的檢測。

有益效果：本發(fā)明是T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器，采用了結(jié)構(gòu)簡單的懸臂梁結(jié)構(gòu)耦合微波信號，并利用這部分耦合小信號實現(xiàn)微波相位的在線式檢測，而大部分的信號能夠繼續(xù)在共面波導上傳播并進行后續(xù)信號處理。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器俯視圖；

圖2為圖1 T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器的A-A’剖面圖；

圖3為圖1T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器的B-B’剖面圖；

圖中包括：高阻硅襯底1，共面波導傳輸線的信號線2和地線3，懸臂梁結(jié)構(gòu)1的懸臂梁4和錨區(qū)5，懸臂梁結(jié)構(gòu)2的懸臂梁6和錨區(qū)7，絕緣介質(zhì)層8，直接加熱式微波功率傳感器1的半導體熱電偶臂9、終端電阻10、直流輸出塊11、隔絕直流電容12和共面波導傳輸線的信號線13，T形結(jié)的第一空氣橋14、第二空氣橋15、第三空氣橋16、第一共面波導傳輸線的信號線17、第二共面波導傳輸線的信號線18和第三共面波導傳輸線的信號線19，直接加熱式微波功率傳感器2的半導體熱電偶臂20、終端電阻21、直流輸出塊22、隔絕直流電容23，SiO₂層24。在高阻硅襯底1上制備一次SiO₂層24，在SiO₂層24上設有共面波導傳輸線、兩個關于共面波導傳輸線的信號線對稱的懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2、T形結(jié)以及直接加熱式微波功率傳感器1和直接加熱式微波功率傳感器2。

具體實施方式

本發(fā)明的T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測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上設有共面波導傳輸線、兩個關于共面波導傳輸線的信號線對稱的懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2、T形結(jié)以及直接加熱式微波功率傳感器1和直接加熱式微波功率傳感器2。共面波導傳輸線作為本發(fā)明相位檢測器的信號傳輸線，用于待測微波信號的傳輸，共面波導傳輸線由共面波導傳輸線的信號線的信號線2和地線3構(gòu)成。懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2懸于共面波導傳輸線的信號線2上的絕緣介質(zhì)層8的上方。懸臂梁結(jié)構(gòu)1包括懸臂梁4和錨區(qū)5，懸臂梁結(jié)構(gòu)2包括懸臂梁6和錨區(qū)7。共面波導傳輸線的信號線2上側(cè)的懸臂梁結(jié)構(gòu)1的錨區(qū)5通過直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導傳輸線的信號線13連接直接加熱式微波功率傳感器1，共面波導傳輸線的信號線2下側(cè)的懸臂梁結(jié)構(gòu)2的錨區(qū)7通過T形結(jié)的第一共面波導傳輸線的信號線1)連接T形結(jié)的一個輸入端口，另一個輸入端口通過T形結(jié)的第二共面波導傳輸線的信號線18連接到參考信號輸入端口，T形結(jié)的輸出端通過T形結(jié)的第三共面波導傳輸線的信號線19連接直接加熱式微波功率傳感器2。

當待測微波信號通過待測信號傳輸線時，懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2耦合出部分微波信號，并且分別由懸臂梁結(jié)構(gòu)1的錨區(qū)5和懸臂梁結(jié)構(gòu)2的錨區(qū)7輸出。上側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)1的錨區(qū)5通過直接加熱式微波功率傳感器的共面波導傳輸線的信號線13將耦合微波信號輸向直接加熱式微波功率傳感器1，并檢測出其功率為P₁；下側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)2的錨區(qū)7通過T形結(jié)的第一共面波導傳輸線的信號線17將耦合微波信號輸向T形結(jié)，其通過T形結(jié)與功率為P₂的參考信號矢量合成，合成后的信號功率為P₃。記待測微波信號和參考信號的相位差為則經(jīng)T形結(jié)輸出的合成信號的功率與相位差存在余弦函數(shù)關系，通過計算最終實現(xiàn)待測微波信號相位的在線式檢測。

本發(fā)明的T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器的具體實施方案如下：

如圖1，圖2，圖3所示，包括高阻硅襯底1，共面波導傳輸線的信號線2和地線3，懸臂梁結(jié)構(gòu)1的懸臂梁4和錨區(qū)5，懸臂梁結(jié)構(gòu)2的懸臂梁6和錨區(qū)7，絕緣介質(zhì)層8，直接加熱式微波功率傳感器1的半導體熱電偶臂9、終端電阻10、直流輸出塊11、隔絕直流電容12和共面波導傳輸線的信號線13，T形結(jié)的第一空氣橋14、第二空氣橋15、第三空氣橋16、第一共面波導傳輸線的信號線17、第二共面波導傳輸線的信號線18和第三共面波導傳輸線的信號線19，直接加熱式微波功率傳感器2的半導體熱電偶臂20、終端電阻21、直流輸出塊22、隔絕直流電容23，SiO₂層24。在高阻硅襯底1上制備一次SiO₂層24，在SiO₂層24上設有共面波導傳輸線、兩個關于共面波導傳輸線的信號線對稱的懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2、T形結(jié)以及直接加熱式微波功率傳感器1和直接加熱式微波功率傳感器2。

懸臂梁結(jié)構(gòu)1包括懸臂梁4和錨區(qū)5，懸臂梁結(jié)構(gòu)2包括懸臂梁6和錨區(qū)7，懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2懸于共面波導傳輸線的信號線2上絕緣介質(zhì)層8的上方。

T形結(jié)由第一空氣橋(14)、第二空氣橋(15)、第三空氣橋(16)、第一共面波導傳輸線的信號線(17)、第二共面波導傳輸線的信號線(18)和第三共面波導傳輸線的信號線(19)構(gòu)成，為三端口器件，可用于功率合成，無需隔離電阻，其中第一空氣橋(14)、第二空氣橋(15)、第三空氣橋(16)用于共面波導傳輸線的地線(3)之間的互連，同時為了方便這三個空氣橋的釋放，在其上制作了一組小孔陣列。

直接加熱式微波功率傳感器1由半導體熱偶臂(9)、終端電阻(10)、直流輸出塊(11)、隔絕直流電容(12)和共面波導傳輸線的信號線(13)構(gòu)成；所述的直接加熱式微波功率傳感器2由半導體熱偶臂(20)終端電阻(21)、直流輸出塊(22)、隔絕直流電容(23)構(gòu)成。

當待測信號從共面波導傳輸線的信號線2經(jīng)過時，懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2在線耦合出部分微波信號。為了檢測其耦合出的功率，上側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)1的錨區(qū)5通過直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導傳輸線的信號線13連接直接加熱式微波功率傳感器1，并檢測出其功率P₁；下側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)2的錨區(qū)7通過T形結(jié)的第一共面波導傳輸線的信號線17連接T形結(jié)的一個輸入端，另一個輸入端通過第二共面波導傳輸線的信號線18連接參考信號輸入端口，功率為P₂的參考信號從參考信號輸入端口輸入，合成后的信號通過T形結(jié)的第三共面波導傳輸線的信號線19傳輸向直接加熱式微波功率傳感器2，并檢測得功率為P₃。記待測微波信號和參考信號的相位差為則經(jīng)T形結(jié)輸出的合成信號的功率P₃與相位差存在余弦函數(shù)關系：

基于公式(1)最終可以推導出:

同時，由于懸臂梁耦合出來的信號功率很小，大部分的信號能夠繼續(xù)通過共面波導傳輸線向后傳播并進行后續(xù)的信號處理，從而實現(xiàn)了在線式微波相位的檢測。

本發(fā)明的T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器的制備方法為：

1)準備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)化學氣相淀積(CVD)生長一層多晶硅，厚度為0.4mm；

4)涂覆一層光刻膠并光刻，除多晶硅電阻區(qū)域以外，其他區(qū)域被光刻膠保護，并注入磷(P)離子，摻雜濃度為10¹⁵cm^-2，形成終端電阻；

5)涂覆一層光刻膠，光刻多晶硅電阻圖形涂覆一層光刻膠，光刻多晶硅電阻圖形，再通過干法刻蝕形成終端電阻；

6)涂覆一層光刻膠，光刻去除共面波導傳輸線和輸出電極處的光刻膠；

7)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，剝離形成共面波導傳輸線、隔直電容下極板以及輸出電極；

8)淀積(LPCVD)一層Si₃N₄，厚度為0.1mm；

9)涂覆一層光刻膠，光刻并保留空氣橋、隔直電容和懸臂梁下方的光刻膠，干法刻蝕Si₃N₄，形成Si₃N₄介質(zhì)層；

10)均勻涂覆一層聚酰亞胺并光刻圖形，厚度為2mm，保留空氣橋和懸臂梁下方的聚酰亞胺作為犧牲層；

11)涂覆光刻膠，光刻去除空氣橋、懸臂梁、懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)、共面波導傳輸線、隔直電容以及輸出電極位置的光刻膠；

12)蒸發(fā)500/1500/300 A°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；

13)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成空氣橋、懸臂梁、懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)、共面波導傳輸線、隔直電容上極板和輸出電極；

14)深反應離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作終端電阻、半導體熱偶臂下方的薄膜結(jié)構(gòu)；

15)釋放聚酰亞胺犧牲層：顯影液浸泡，去除空氣橋和懸臂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)的標準如下：

本發(fā)明的T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器采用兩個完全對稱的懸臂梁結(jié)構(gòu)耦合微波信號，同時擁有共面波導傳輸線、T形結(jié)和兩個直接加熱式微波功率傳感器。當待測微波信號通過共面波導傳輸線時，懸臂梁結(jié)構(gòu)耦合出部分微波信號，并且分別由懸臂梁結(jié)構(gòu)的兩側(cè)錨區(qū)輸出。上側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)通過共面波導傳輸線的信號線將耦合微波信號輸向直接加熱式微波功率傳感器；下側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)通過共面波導傳輸線的信號線將耦合微波信號輸向T形結(jié)，其通過T形結(jié)與參考信號矢量合成。合成信號的功率與微波信號間的相位差存在余弦函數(shù)關系，最終利用矢量合成原理來實現(xiàn)微波信號相位的在線式檢測。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的T形結(jié)懸臂梁在線式微波相位檢測器。