本發(fā)明提出了硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在如今飛速發(fā)展的信息時(shí)代，人們對(duì)各頻率段信號(hào)的檢測也越來越受到重視，尤其是對(duì)于頻率較高的毫米波來說，如何高效和簡便地檢測毫米波信號(hào)的各個(gè)參數(shù)對(duì)人們來說也是需要攻克的一項(xiàng)難題。毫米波信號(hào)擁有三個(gè)重要的參數(shù)，分別為頻率、相位和功率，這三個(gè)參數(shù)的測量技術(shù)在軍事、航天航空和微波通信等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，因此在信息技術(shù)日益發(fā)展的今天，對(duì)毫米波頻率、相位和功率的高精度檢測是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技創(chuàng)新的重要內(nèi)容。但是現(xiàn)有的頻率檢測器、相位檢測器和功率檢測器不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，而且大多不能集成在一起進(jìn)行統(tǒng)一測量，從而降低了對(duì)信號(hào)參數(shù)檢測的效率，因此傳統(tǒng)的信號(hào)檢測儀器已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米波信號(hào)的高效監(jiān)測了。

針對(duì)以上毫米波信號(hào)檢測的難題，隨著對(duì)共面波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及間接式熱電式功率傳感器的深入研究，本發(fā)明在高阻Si襯底上設(shè)計(jì)了一種將毫米波頻率、相位和功率檢測集成在一起的信號(hào)檢測儀器，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換和液晶顯示環(huán)節(jié)對(duì)測得的微波參量進(jìn)行顯示輸出，得到一個(gè)完整的微波信號(hào)檢測儀器，這種利用縫隙耦合結(jié)構(gòu)的信號(hào)檢測器結(jié)構(gòu)簡單新穎，而且制作成本較低，具有較高的潛在應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器，在毫米波范圍內(nèi)，信號(hào)的頻率檢測、相位檢測和功率檢測的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，若只是簡單地拼湊集成在一起難度較大，而且效率也較為低下，而本發(fā)明就利用共面波導(dǎo)縫隙耦合結(jié)構(gòu)簡便地將毫米波信號(hào)的頻率、相位和功率檢測集成在了一起，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將待測的參量直接顯示在液晶屏幕上，形成一個(gè)全面的微波信號(hào)檢測儀器。

技術(shù)方案：本發(fā)明的硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器是由傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、MCS51單片機(jī)和液晶顯示四個(gè)大模塊組成，這四個(gè)大模塊又由一些基礎(chǔ)的小模塊和電路構(gòu)成。

其中傳感器部分是由頻率檢測模塊、相位檢測模塊和功率檢測模塊這三個(gè)小模塊構(gòu)成，它們是由共面波導(dǎo)、一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、移相器、一號(hào)單刀雙擲開關(guān)、二號(hào)單刀雙擲開關(guān)、一個(gè)Wilkinson功分器、三個(gè)Wilkinson功合器以及六個(gè)間接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系如下：第一端口是信號(hào)輸入端，一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)和二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)位于共面波導(dǎo)上側(cè)地線，三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)和四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)則位于共面波導(dǎo)下側(cè)地線，這兩對(duì)縫隙關(guān)于中心信號(hào)線對(duì)稱，它們之間由一個(gè)移相器隔開，首先來看頻率檢測模塊，一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第二端口，第二端口與一號(hào)單刀雙擲開關(guān)的輸入端相連，一號(hào)單刀雙擲開關(guān)的輸出端分別連接到一號(hào)Wilkinson功合器和一號(hào)間接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第三端口，第三端口與二號(hào)單刀雙擲開關(guān)的輸入端相連，二號(hào)單刀雙擲開關(guān)的輸出端分別連接到一號(hào)Wilkinson功合器和二號(hào)間接式熱電式功率傳感器，而一號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接到三號(hào)間接式熱電式功率傳感器；再看相位檢測模塊，三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第四端口相連，第四端口連接到二號(hào)Wilkinson功合器，四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第五端口相連，第五端口連接到三號(hào)Wilkinson功合器，參考信號(hào)通過四號(hào)Wilkinson功分器的輸入端輸入，四號(hào)Wilkinson功分器的輸出端分別連接到二號(hào)Wilkinson功合器和三號(hào)Wilkinson功合器，然后，二號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接四號(hào)間接式熱電式功率傳感器，三號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接五號(hào)間接式熱電式功率傳感器，最后是功率檢測模塊，在第六端口處連接著六號(hào)間接式熱電式功率傳感器

首先，對(duì)于毫米波的頻率檢測模塊，它主要是由兩個(gè)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、一段移相器、兩個(gè)單刀雙擲開關(guān)、一個(gè)Wilkinson功合器以及三個(gè)間接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成，毫米波信號(hào)P首先經(jīng)過第一個(gè)縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出小部分的信號(hào)P₁(對(duì)應(yīng)電壓為V₁)，然后經(jīng)過一段移相器之后再由另一個(gè)縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出另一部分的信號(hào)P₂(對(duì)應(yīng)電壓為V₂)，這樣兩個(gè)耦合信號(hào)之間就產(chǎn)生了一定的相位差實(shí)際上這段移相器就是一段共面波導(dǎo)，它的長度設(shè)置為以中心頻率f₀為35GHz處波長的1/4，此時(shí)相位差就是90°，但是當(dāng)頻率f變化時(shí)，相位差是頻率f的函數(shù)，可以表示為：

其中f為毫米波信號(hào)的頻率，c為光速，ε_er為傳輸線的相對(duì)介電常數(shù)，ΔL為移相器的長度。從公式中可以看出只要測得的值，就能得到頻率f的大小，于是將兩個(gè)耦合信號(hào)P₁、P₂經(jīng)過Wilkinson功合器進(jìn)行合成，再用間接式熱電式功率傳感器去檢測合成信號(hào)功率P_s的大小，合成信號(hào)的功率P_s(對(duì)應(yīng)電壓為V_s)是關(guān)于相位差的三角函數(shù)關(guān)系:

由于耦合信號(hào)P₁、P₂的大小未知，因此這里采用了兩個(gè)單刀雙擲開關(guān)將兩個(gè)耦合出來的小信號(hào)率先進(jìn)行功率檢測，得到其功率大小，然后再通過Wilkinson功合器進(jìn)行功率合成，于是由公式(2)就能計(jì)算出頻率f的大小。注意這里的相位差只是兩個(gè)耦合小信號(hào)之間的相位差，并不是原毫米波信號(hào)的相位Φ，還需要通過相位檢測模塊來精確確定原毫米波信號(hào)的相位Φ。

對(duì)于毫米波的相位檢測模塊，同樣地也是由兩個(gè)縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出部分小信號(hào)P₃和P₄，由于縫隙尺寸相同，所以它們的功率大小等于之前測得的耦合小信號(hào)P₁和P₂，并且它們的初始相位都為Φ，只是其中第二個(gè)縫隙耦合信號(hào)多傳播了相位參考信號(hào)P_c(對(duì)應(yīng)電壓為V_c)經(jīng)過Wilkinson功分器分解成左右兩路一模一樣的信號(hào)，左邊一路信號(hào)與第一個(gè)縫隙耦合信號(hào)進(jìn)行功率合成，得到合成功率P_L(對(duì)應(yīng)電壓為V_L)，它是關(guān)于相位Φ的三角函數(shù)關(guān)系；而右邊一路信號(hào)與第二個(gè)縫隙耦合信號(hào)進(jìn)行功率合成，得到合成功率P_R(對(duì)應(yīng)電壓為V_R)，它是關(guān)于相位的三角函數(shù)關(guān)系；

其中P₃＝P₁、P₄＝P₂，結(jié)合以上兩個(gè)關(guān)系式，不僅可以得到相位Φ的大小，還可以得到相位的超前或滯后關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了-180°～+180°的相位檢測。

毫米波的功率檢測模塊是用間接式的熱電式功率檢測器來檢測原毫米波信號(hào)的功率大小P的，它主要是由共面波導(dǎo)、終端電阻和熱電堆所構(gòu)成，而熱電堆主要是由兩種不同的半導(dǎo)體臂級(jí)聯(lián)所組成，這樣終端電阻吸收能量后發(fā)出的熱量就會(huì)被熱電堆的熱端吸收，根據(jù)seebeck效應(yīng)就能得到熱電勢，需要注意的是，在終端電阻和熱電堆下方會(huì)將襯底減薄，這樣熱能就不會(huì)從襯底耗散掉，從而提高了熱電轉(zhuǎn)換效率。原毫米波信號(hào)的功率大小P可以由下式表達(dá)：

由于間接式熱電式功率檢測器輸出的是模擬電壓，并不是功率大小，因此公式(1)、(2)、(3)中出現(xiàn)的功率P₁、P₂、P₃、P₄、P_L、P_R、P_C、P_S都需要經(jīng)過公式(4)將電壓V₁、V₂、V₃、V₄、V_L、V_R、V_C、V_S進(jìn)行計(jì)算才能得到。由于縫隙耦合信號(hào)實(shí)際上比原信號(hào)小得多，因此絕大部分的信號(hào)還是能繼續(xù)傳播并被間接式熱電式功率傳感器接收，信號(hào)的利用率大大提高了。

第二個(gè)大模塊是模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，它的主要作用是將傳感器三個(gè)小模塊中輸出的功率直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這個(gè)部分主要是由STM32微處理器及由AD620芯片組成的外圍電路所構(gòu)成，則根據(jù)公式(1)、(2)、(3)、(4)，可以反推出相應(yīng)的頻率f、相位Φ和功率P的大?。?/p>

然后是MCS51單片機(jī)部分，它的主要作用就是對(duì)各個(gè)電壓值進(jìn)行公式計(jì)算得到需要的頻率f、相位Φ和功率P的數(shù)值。

最后就是液晶顯示部分，它的主要作用就是將得到的數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行顯示輸出，得出待測信號(hào)的頻率f、相位Φ和功率P的讀數(shù)。

有益效果：在本發(fā)明中，為了提高毫米波信號(hào)的檢測效率，將毫米波信號(hào)的頻率、相位以及功率實(shí)現(xiàn)一體化檢測，采取了簡單新穎的縫隙耦合結(jié)構(gòu)，這種縫隙耦合結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒃诠裁娌▽?dǎo)中傳播的電磁場能量耦合出一小部分，從而利用這耦合出的部分小信號(hào)來檢測原毫米波信號(hào)的頻率和相位大小，同時(shí)由于耦合出的信號(hào)能量和原信號(hào)相比非常小，因此幾乎對(duì)原毫米波信號(hào)影響不大，原毫米波信號(hào)可以繼續(xù)向后傳播進(jìn)行功率測量，同時(shí)將模擬輸出信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換直接輸出在液晶屏幕上，構(gòu)成完整的微波信號(hào)檢測儀器，具有較高的潛在應(yīng)用價(jià)值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器的結(jié)構(gòu)框圖

圖2為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器的俯視圖

圖3為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器中傳感器的單刀雙擲開關(guān)的俯視圖

圖4為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器中傳感器的單刀雙擲開關(guān)AA’方向的剖面圖

圖5為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器中傳感器的Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的俯視圖

圖6為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器中傳感器的間接式熱電式功率傳感器的俯視圖

圖7為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器中傳感器的間接式熱電式功率傳感器的剖面圖

圖8為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器中模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路圖

圖中包括：共面波導(dǎo)1，縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-1，縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-2，縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-3，縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-4，移相器3，頻率檢測模塊4，相位檢測模塊5，功率檢測模塊6，電阻7，P型半導(dǎo)體臂8，N型半導(dǎo)體臂9，歐姆接觸10，輸出電極11，熱電堆12，SiO₂層13，高阻Si襯底14，非對(duì)稱共面帶線15，空氣橋16，襯底膜結(jié)構(gòu)17，熱端18，冷端19，一號(hào)單刀雙擲開關(guān)20，二號(hào)單刀雙擲開關(guān)21，錨區(qū)22，Si₃N₄介質(zhì)層23，開關(guān)下拉電極板24，開關(guān)梁25，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。

具體實(shí)施方案

本發(fā)明的硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器中傳感器部分是基于高阻Si襯底14制作的，是由共面波導(dǎo)1、一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-1、二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-2、三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-3、四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-4、移相器3、一號(hào)單刀雙擲開關(guān)20、二號(hào)單刀雙擲開關(guān)21、一個(gè)Wilkinson功分器、三個(gè)Wilkinson功合器以及六個(gè)間接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成。

Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結(jié)構(gòu)是相同的，主要由共面波導(dǎo)1、非對(duì)稱共面帶線15和電阻7構(gòu)成，其中兩條長度相同的非對(duì)稱共面帶線15能夠?qū)⒐裁娌▽?dǎo)1上的毫米波信號(hào)分為相等的兩部分，而隔離電阻7位于兩條非對(duì)稱共面帶線15的末端。

采用間接式熱電式功率傳感器來實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，它主要由共面波導(dǎo)1、兩個(gè)電阻7以及熱電堆12所構(gòu)成，而熱電堆12又是由P型半導(dǎo)體臂8和N型半導(dǎo)體臂9通過歐姆接觸10級(jí)聯(lián)組成，其中共面波導(dǎo)1與兩個(gè)電阻7相連，而熱電堆12與終端電阻7之間有一段間隔。

具體結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系如下：第一端口1-1是信號(hào)輸入端，一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-1和二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-2位于共面波導(dǎo)1上側(cè)地線，三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-3和四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-4則位于共面波導(dǎo)1下側(cè)地線，這兩對(duì)縫隙關(guān)于中心信號(hào)線對(duì)稱，它們之間由一個(gè)移相器3隔開，首先來看頻率檢測模塊4，一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-1連接到第二端口1-2，第二端口1-2與一號(hào)單刀雙擲開關(guān)20的輸入端相連，一號(hào)單刀雙擲開關(guān)20的輸出端分別連接到一號(hào)Wilkinson功合器和一號(hào)間接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-2連接到第三端口1-3，第三端口1-3與二號(hào)單刀雙擲開關(guān)21的輸入端相連，二號(hào)單刀雙擲開關(guān)21的輸出端分別連接到一號(hào)Wilkinson功合器和二號(hào)間接式熱電式功率傳感器，而一號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接到三號(hào)間接式熱電式功率傳感器；再看相位檢測模塊5，三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-3與第四端口1-4相連，第四端口1-4連接到二號(hào)Wilkinson功合器，四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)2-4與第五端口1-5相連，第五端口1-5連接到三號(hào)Wilkinson功合器，參考信號(hào)通過四號(hào)Wilkinson功分器的輸入端輸入，四號(hào)Wilkinson功分器的輸出端分別連接到二號(hào)Wilkinson功合器和三號(hào)Wilkinson功合器，然后，二號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接四號(hào)間接式熱電式功率傳感器，三號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接五號(hào)間接式熱電式功率傳感器，最后是功率檢測模塊6，在第六端口1-6處連接著六號(hào)間接式熱電式功率傳感器；在每個(gè)間接式熱電式功率傳感器之后都連接著模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，然后將這些模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)都接入MCS51單片機(jī)進(jìn)行公式計(jì)算，最后通過液晶顯示屏顯示輸出頻率、相位和功率的數(shù)值大小。

本發(fā)明的硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器中傳感器的制備方法為：

1)準(zhǔn)備高阻Si襯底14(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長一層SiO₂層13，厚度為1.2um；

3)淀積一層多晶硅，P型離子注入(摻雜濃度為10¹⁵cm^-2)，以達(dá)到制作電阻7的要求。

4)利用掩模版1對(duì)要制作熱電堆P型半導(dǎo)體臂8的地方再次進(jìn)行P型離子注入，達(dá)到P型半導(dǎo)體臂8的電阻率要求；

5)利用掩模版2對(duì)要制作熱電堆N型半導(dǎo)體臂9的地方進(jìn)行N型離子注入，達(dá)到N型半導(dǎo)體臂9的電阻率要求；

6)涂覆光刻膠，對(duì)多晶硅層進(jìn)行光刻，最終形成電阻7、熱電堆12的P型半導(dǎo)體臂8和N型半導(dǎo)體臂9；

7)在熱電堆的P型半導(dǎo)體臂8和N型半導(dǎo)體臂9連接處制作歐姆接觸10；

8)在襯底上涂覆光刻膠，去除傳輸線、輸出電極11和開關(guān)下拉電極板23處的光刻膠，蒸發(fā)一層種子層Ti，厚度為然后制備第一層金，厚度為0.3um，通過剝離工藝去除保留的光刻膠，連帶去除在光刻膠上面的金屬層，初步形成傳輸線、輸出電極11和開關(guān)下拉電極板23；

9)在前面步驟處理得到的高阻Si襯底14上，通過PECVD生成一層厚的Si₃N₄介質(zhì)層，光刻Si₃N₄介質(zhì)層，僅保留空氣橋16和開關(guān)梁24下方的Si₃N₄介質(zhì)層；

10)淀積一層1.6μm厚的聚酰亞胺犧牲層，要求填滿所有凹坑；光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留空氣橋16和開關(guān)梁25下方的聚酰亞胺犧牲層；

11)涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作傳輸線、輸出電極11、空氣橋16和開關(guān)梁25處的光刻膠，蒸發(fā)一層種子層Ti，厚度為制備第二層金，厚度為2um，最后，去除保留的光刻膠，形成傳輸線、輸出電極11、空氣橋16和開關(guān)梁25；

12)在襯底的背面涂覆光刻膠，去除預(yù)備在襯底背面形成薄膜結(jié)構(gòu)17處的光刻膠，在終端負(fù)載處的電阻7和熱電堆12熱端下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結(jié)構(gòu)17，保留約為40μm厚的膜結(jié)構(gòu)；

13)釋放聚酰亞胺犧牲層，以去除空氣橋16和開關(guān)梁25下方的聚酰亞胺犧牲層；最后用去離子水浸泡5分鐘，無水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干。

本發(fā)明的不同之處在于：

本發(fā)明采用了新穎的縫隙耦合結(jié)構(gòu)，這種縫隙耦合結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒃诠裁娌▽?dǎo)中傳播的電磁場能量耦合出一部分，從而利用這耦合出的部分小信號(hào)來檢測原毫米波信號(hào)的頻率和相位大小；功率分配器和功率合成器采用Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)功率的平分或合成；至于功率檢測器，則采用間接式熱電式功率傳感器來實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，從而測得功率的大小。這些結(jié)構(gòu)不僅簡化了電路版圖，降低了制作成本，而且大大提高了毫米波信號(hào)的檢測效率，實(shí)現(xiàn)了毫米波信號(hào)的頻率、相位以及功率實(shí)現(xiàn)一體化檢測，同時(shí)將模擬輸出信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換直接輸出在液晶屏幕上，構(gòu)成了一個(gè)完整的微波信號(hào)檢測儀器。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的硅基縫隙耦合式的間接式毫米波信號(hào)檢測儀器。