專利名稱：無線接收式微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明提出了基于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術的無線接收式微波頻率檢測系統(tǒng)，屬于微電子機械系統(tǒng)的技術領域。
背景技術：
在微波研究中，微波頻率是表征微波信號的一個重要參數(shù)，微波頻率的檢測在微波無線應用和測量技術中占有非常重要的地位。傳統(tǒng)的微波頻率檢測器是基于二極管的，它的缺點需要消耗直流功率、測量的信號幅度比較小。近20多年來，隨著MEMS技術的飛速發(fā)展，對MEMS懸臂梁結構進行了深入的研究，使得采用MEMS技術實現(xiàn)微波頻率檢測系統(tǒng)成為可能。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是提供一種無線接收式微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)及其制備方法，可對微波信號的頻率進行測量，測量信號的幅度范圍大、不需要消耗直流功率，而且便于集成。 技術方案本發(fā)明的微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)以砷化鎵為襯底，在襯底上設有微波天線、一分三功分器、共面波導傳輸線、二合一功合器、MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器和MEMS熱電式微波功率傳感器微波天線的輸入端接待測微波信號，輸出端接一分三功分器的輸入端，一分三功分器的輸出端分三路信號輸出，第一路輸出信號通過共面波導傳輸線接MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器的輸入端，MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器的輸出端接MEMS熱電式微波功率傳感器；一分三功分器的第二路輸出信號通過共面波導傳輸線接二合一功合器；一分三功分器的第三路信號輸出通過A /2共面波導傳輸線接二合一功合器；二合一功合器的輸出端通過MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器接MEMS熱電式微波功率傳感器； 微波天線采用的是共面波導天線，實現(xiàn)微波信號的無線接收而達到微波頻率無線檢測的目的。 —分三功分器由共面波導構成的端口一、端口二、端口三、端口四、不對稱共面帶線和氮化鉭電阻組成；端口 一通過不對稱共面帶線分別接端口三和端口四，通過共面波導結構接端口二，在與端口二、端口三之間以及端口二、端口四相接的帶線之間連接有氮化鉭電阻， 共面波導傳輸線由地線和中心信號線組成. 二合一功合器由共面波導構成的端口七、端口八、端口九、不對稱共面帶線和氮化鉭電阻組成，端口七與端口八通過不對稱共面帶線分別接端口九，在與端口七與端口八相接的兩不對稱共面帶線間連接有氮化鉭電阻。 MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器以砷化鎵為襯底，在襯底上的中間設有CPW的信號線，在CPW的信號線的兩旁分別設有CPW的地線，懸臂梁膜橋下面設有傳感電極，傳感
4電極通過膜橋連接線連接到電容檢測端口的一個端，CPW的地線連接電容檢測端口的另一 個端，在膜橋連接線下方的CPW的地線與懸臂梁下方的CPW的信號線、傳感電極上都設有氮 化硅介質層； MEMS熱電式微波功率傳感器由共面波導末端并聯(lián)的兩個電阻，熱偶，增加冷端溫
度穩(wěn)定性的金屬塊和熱偶電壓檢測端口組成。 微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)的制備方法為 1)準備砷化鎵襯底選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底； 2)在襯底上離子注入N+型的GaAs，形成熱偶的GaAs臂； 3)在襯底上淀積、刻蝕氮化鉭，形成一分三功分器和二合一功合器的匹配電阻，即 氮化鉭電阻， 4)在襯底上濺射金，剝離去除光刻膠形成熱偶的金臂、微波天線、一分三功分
器、共面波導傳輸線、二合一功合器、傳感電極，濺射的厚度為0. 3ym ; 5)淀積氮化硅介質層用等離子體增強化學氣相淀積法工藝生長1000A的氮化硅
介質層； 6)光刻并刻蝕氮化硅介質層；保留懸臂梁下方CPW的中心信號線、膜橋連接線下 方的CPW地線和傳感電極上的氮化硅； 7)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層淀積1.6ym厚的聚酰亞胺犧牲層，聚酰亞胺犧牲 層的厚度決定了懸臂梁膜橋與氮化硅介質層之間的高度，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留懸 臂梁膜橋下的犧牲層； 8)濺射鈦/金/鈦濺射用于電鍍微波天線、一分三功分器、共面波導傳輸線、二
合一功合器和懸臂梁膜橋的底金，鈦/金/鈦的厚度為500/1500/ 300A; 9)電鍍金電鍍微波天線、一分三功分器、共面波導傳輸線、二合一功合器(D)和
懸臂梁膜橋，厚度為2ym; 10)去除光刻膠、釋放犧牲層用顯影液釋放懸臂梁結構下方的聚酰亞胺犧牲層， 并用無水乙醇脫水，形成懸浮的懸臂梁膜橋。 有益效果與現(xiàn)有的微波頻率檢測器相比，這種新型的基于MEMS的技術的微波頻 率檢測系統(tǒng)具有以下顯著的優(yōu)點 1、接收端采用微波天線實現(xiàn)微波信號的無線接收，達到微波頻率的無線檢測的目 的。 2、該檢測系統(tǒng)由信號的幅度檢測和相位差檢測兩部分組成，可以對待測微波信號 的幅度和頻率進行檢測，且信號的幅度檢測部分與信號的相位差檢測部分的共面波導傳輸 線長度相同，從而抵消了傳輸線上造成的損耗，提高了檢測的精確度； 3、檢測的動態(tài)范圍大，MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器適于檢測大信號，MEMS 熱電式微波功率傳感器適于檢測小信號。同時當微波信號功率很大時，MEMS懸臂梁電容式 微波功率傳感器耦合出一部分微波功率，可以起到保護MEMS熱電式微波功率傳感器不被 燒毀的作用。 而且這種結構是基于MEMS技術的，具有MEMS的基本優(yōu)點，如體積小、重量輕、功耗 低等。該結構由微波天線、微波功分器、微波功合器，以及微波傳輸線構成，全部都是無源器 件，不需要消耗直流功率；且與單片微波集成電路(匪IC)工藝完全兼容，便于集成，這一系列優(yōu)點是傳統(tǒng)的微波頻率檢測器無法比擬的，因此它具有很好的研究和應用價值。


圖1是微波頻率檢測系統(tǒng)的原理圖。
圖2是微波天線的俯視圖。
圖3是一分三功分器的俯視圖。
圖4是二合一功合器的俯視圖。 圖5是懸臂梁電容式微波功率傳感器和熱電式微波功率傳感器的俯視圖。
圖中包括一分三功分器端口一 1， 一分三功分器端口二 2， 一分三功分器端口三3，一分三功分器四4，不對稱共面帶線(ACPS)5，端口氮化鉭(TaN)電阻6，功合器端口七7，功合器端口八8，功合器端口九9，CPW的地線IO，CPW的中心信號線ll，懸臂梁電容式微波功率傳感器的檢測端口 12，膜橋連接線13，懸臂梁膜橋14，傳感電極15，氮化硅(SiN)介質層16，電阻17，熱偶18，增加冷端溫度穩(wěn)定性的金屬塊19，熱電式微波功率傳感器的檢測端□ 20。
具體實施例方式
如圖1所示，微波天線接收到待測微波信號輸入給一分三功分器的端口一，在其端口二、端口三和端口四處產(chǎn)生了三個相同的信號(信號1、信號2、信號3)。信號1、共面波導傳輸線、MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器和MEMS熱電式微波功率傳感器級聯(lián)構成微波信號的幅度檢測部分；信號2、信號3、共面波導傳輸線、二合一功合器、MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器和MEMS熱電式微波功率傳感器級聯(lián)構成微波信號的相位差檢測部分。信號1作為幅度檢測信號，通過MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器和MEMS熱電式微波功率傳感器檢測出信號的幅度；信號2和信號3作為相位差檢測信號，先將信號3經(jīng)長度為入/2的共面波導傳輸線后，和信號2分別連接到二合一功合器的端口七7和端口八8，在二合一功合器的端口九9形成了信號4，通過MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器和MEMS熱電式微波功率傳感器檢測出信號4的幅度。因為信號1、信號2和信號3大小完全相同，幅度檢測部分檢測出信號1的幅度，也就等于信號2和信號3的幅度。這樣由信號2、信號3和信號4的幅度構成的三角形的邊長就都知道了，根據(jù)幾何知識三角形的形狀就能確定下來了，然后根據(jù)余弦定理就可以確定信號3在經(jīng)過A /2長度的共面波導傳輸線后和信號2的相位差伊。由于相位差P與信號的頻率成線性關系，所以信號的頻率就可以檢測出來。共面波導傳輸線的長度A/2是待測試頻段的中心頻率對應的波長。MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器可以檢測功率較大的微波信號；MEMS熱電式微波功率傳感器可以檢測功率較小的微波信號。采用這兩種檢測方式不但可以擴展檢測微波信號的幅度范圍，而且當微波信號過大時，MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器可以通過分流而起到保護MEMS熱電式微波功率傳感器不被燒毀的作用。 微波天線采用的共面波導天線如圖2所示，實現(xiàn)微波信號的無線接收而達到微波頻率的無線檢測的目的。共面波導天線與傳統(tǒng)的微帶天線相比獨到之處在于制造簡單、使有源無源器件表面貼裝的串并聯(lián)更容易、降低了表面波引起的損耗、更易于匪IC工藝兼容。
功分器、功合器由共面波導(CPW)構成的輸入端口、輸出端口、不對稱共面帶線和 氮化鉭電阻組成。 一分三功分器如圖3所示，端口一通過不對稱共面帶線分別連接端口三 和端口四，通過共面波導連接端口 二，在端口 二、端口三之間和端口 二、端口四之間連接有 氮化鉭電阻；二合一功合器如圖4所示，端口七7、端口八8通過不對稱共面帶線分別連接 到端口九9，在與端口七7和端口八8相接的不對稱共面帶線之間連接有氮化鉭電阻，從端 口七7和端口二八8輸入，從端口九9輸出時為二合一功合器。 MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器如圖5所示以砷化鎵為襯底，在襯底上的中 間設計有信號輸入端口 ，在CPW的信號線兩旁分別設有CPW的地線，在CPW的地線上設有橋 墩，在橋墩上設有懸臂梁，在懸臂梁下面(CPW的信號線的旁邊)設有傳感電極，傳感電極通 過膜橋連接線連接到電容檢測的一個端口 ， CPW的地線連接電容檢測的另一個端，在懸臂梁 膜橋下方CPW的信號線、膜橋連接線下方的CPW地線和傳感電極上表面設有氮化硅介質層。 信號在通過帶有懸臂梁膜橋的共面波導(CPW)時，會產(chǎn)生靜電力，從而將懸臂梁下拉，引起 懸臂梁與傳感電極之間電容發(fā)生變化，通過電容檢測電路測出電容，其值是與信號幅度是 一一對應的，從而檢測出信號的幅度。 MEMS熱電式微波功率傳感器如圖5所示在共面波導的末端并聯(lián)兩個電阻，兩個
并聯(lián)的電阻吸收輸入的微波信號，通過熱偶將吸收的微波功率轉化為電勢差，電勢差是與
信號幅度一一對應的，從而檢測出信號的幅度。為了使熱偶的冷端與襯底溫度相同，在其旁
邊連接了一塊大面積的金屬，熱偶的冷熱端分別連接在兩個檢測電勢差的端口上。 微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)的制備方法為 1)準備砷化鎵襯底選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底； 2)離子注入并光刻N+型GaAs，形成熱偶的GaAs臂； 3)淀積、刻蝕氮化鉭形成一分三功分器和二合一功合器的匹配電阻，即氮化鉭 電阻； 4)濺射金，剝離去除光刻膠形成熱偶的金臂、微波天線、一分三功分器、二合一
功合器、共面波導傳輸線、傳感電極和懸臂梁結構的橋墩，濺射的厚度為0. 3ym ; 5)淀積氮化硅介質層用等離子體增強化學氣相淀積法工藝生長1000A的氮化硅
介質層； 6)光刻并刻蝕氮化硅介質層；保留懸臂梁膜橋下方CPW的中心信號線、膜橋下方 的CPW地線和傳感電極上的氮化硅； 7)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層淀積1. 6 ii m厚的聚酰亞胺犧牲層，聚酰亞胺犧牲 層的厚度決定了懸臂梁與氮化硅介質層之間的高度，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留懸臂梁 下的犧牲層； 8)濺射鈦/金/鈦濺射用于電鍍微波天線、一分三功分器、二合一功合器、共面 波導傳輸線和懸臂梁的底金，鈦/金/鈦的厚度為500/1500/ 300A; 9)電鍍微波天線、一分三功分器、二合一功合器、共面波導傳輸線和懸臂梁，厚度 為2 ii m ; 10)去除光刻膠、釋放犧牲層用顯影液釋放懸臂梁結構下方的聚酰亞胺犧牲層，
并用無水乙醇脫水，形成懸浮的懸臂梁結構。 區(qū)分是否為該結構的標準如下
1、接收端采用微波天線實現(xiàn)微波信號的無線接收； 2、采用MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器和MEMS熱電式微波功率傳感器級聯(lián)結構，前者適用于檢測功率較大的微波信號，后者適用于檢測功率較小的微波信號。MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器的工作原理為微波信號產(chǎn)生靜電力將懸臂梁膜橋下拉，引起電容的變化，由電容檢測電路檢測出電容，從而推出微波信號的幅值，MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器具有更高的靈敏度。 滿足以上條件的結構即視為本發(fā)明的無線接收式微波頻率檢測系統(tǒng)。
權利要求
一種無線接收式微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)，其特征在于該檢測系統(tǒng)以砷化鎵為襯底，在襯底上設有微波天線(A)、一分三功分器(B)、共面波導傳輸線(C)、二合一功合器(D)、MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器(E)和MEMS熱電式微波功率傳感器(F)微波天線(A)的輸入端接待測微波信號，輸出端接一分三功分器(B)的輸入端，一分三功分器(B)的輸出端分三路信號輸出，第一路輸出信號通過共面波導傳輸線(C)接MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器(E)的輸入端，MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器(E)的輸出端接MEMS熱電式微波功率傳感器(F)；一分三功分器(B)的第二路輸出信號通過共面波導傳輸線(C)接二合一功合器(D)；一分三功分器(B)的第三路信號輸出通過λ/2共面波導傳輸線(C)接二合一功合器(D)；二合一功合器(D)的輸出端通過MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器(E)接MEMS熱電式微波功率傳感器(F)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的無線接收式微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)，其特征在于微波 天線(A)采用的是共面波導天線，實現(xiàn)微波信號的無線接收而達到微波頻率無線檢測的目 的。
3. 根據(jù)權利要求1所述的無線接收式微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)，其特征在于一分 三功分器(B)由共面波導構成的端口一 (1)、端口二 (2)、端口三(3)、端口四(4)、不對稱共 面帶線(5)和氮化鉭電阻(6)組成；端口一 (1)通過不對稱共面帶線(5)分別接端口三(3) 和端口四(4)，通過共面波導結構接端口二 (2)，在與端口二 (2)、端口三(3)之間以及端口 二 (2)、端口四(4)相接的帶線之間連接有氮化鉭電阻(6)。
4. 根據(jù)權利要求1所述的無線接收式微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)，其特征在于共面 波導傳輸線(C)由地線(10)和中心信號線(11)組成。
5. 根據(jù)權利要求1所述的無線接收式微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)，其特征在于二合 一功合器(D)由共面波導構成的端口七(7)、端口八(8)、端口九(9)、不對稱共面帶線(5) 和氮化鉭電阻(6)組成，端口七(7)與端口八(8)通過不對稱共面帶線(5)分別接端口九 (9)，在與端口七(7)與端口八(8)相接的兩不對稱共面帶線(5)之間連接有氮化鉭電阻 (6)。
6. 根據(jù)權利要求1所述的無線接收式微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)，其特征在于MEMS 懸臂梁電容式微波功率傳感器(E)以砷化鎵為襯底，在襯底上的中間設有CPW的信號線 (ll)，在CPW的信號線(11)的兩旁分別設有CPW的地線(IO)，懸臂梁膜橋(14)下面設有 傳感電極(15)，傳感電極(15)通過膜橋連接線(13)連接到電容檢測端口 (12)的一個端， CPW的地線(10)連接電容檢測端口 (12)的另一個端，在膜橋連接線(13)下方的CPW的地 線(10)與懸臂梁(14)下方的CPW的信號線(11)、傳感電極(15)上都設有氮化硅介質層 (16)。
7. 根據(jù)權利要求1所述的無線接收式微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)，其特征在于MEMS 熱電式微波功率傳感器(F)由共面波導末端并聯(lián)的兩個電阻(17)，熱偶(18)，增加冷端溫 度穩(wěn)定性的金屬塊(19)和熱偶電壓檢測端口 (20)組成。
8. —種如權利要求1所述的無線接收式微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)的制備方法，其 特征在于制備方法為1) 準備砷化鎵襯底選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底；2) 在襯底上離子注入N+型的GaAs，形成熱偶的GaAs臂(18);3) 在襯底上淀積、刻蝕氮化鉭，形成一分三功分器和二合一功合器的匹配電阻，即氮化 鉭電阻(6)，4) 在襯底上濺射金，剝離去除光刻膠形成熱偶的金臂(18)、微波天線(A)、一分三功 分器(B)、共面波導傳輸線(C)、二合一功合器(D)、傳感電極(15)，濺射的厚度為0.3ym;5) 淀積氮化硅介質層用等離子體增強化學氣相淀積法工藝生長1000A的氮化硅介質層；6) 光刻并刻蝕氮化硅介質層；保留懸臂梁下方CPW的中心信號線(11)、膜橋連接線下 方的CPW地線(10)和傳感電極(15)上的氮化硅；7) 淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層淀積1.6ym厚的聚酰亞胺犧牲層，聚酰亞胺犧牲層的 厚度決定了懸臂梁膜橋(14)與氮化硅介質層(16)之間的高度，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保 留懸臂梁膜橋(14)下的犧牲層；8) 濺射鈦/金/鈦濺射用于電鍍微波天線(A)、一分三功分器(B)、共面波導傳輸線(C) 、二合一功合器(D)和懸臂梁膜橋(14)的底金，鈦/金/鈦的厚度為500/1500/300A;9) 電鍍金電鍍微波天線(A)、一分三功分器(B)、共面波導傳輸線(C)、二合一功合器(D) 和懸臂梁膜橋(14)，厚度為2踐;10) 去除光刻膠、釋放犧牲層用顯影液釋放懸臂梁結構下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無水乙醇脫水，形成懸浮的懸臂梁膜橋(14)。
全文摘要
無線接收式微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)及其制備方法是一種結構非常簡單，測量幅度范圍大、不消耗直流功率，且便于集成的微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)及其制備方法，該微電子機械微波頻率檢測系統(tǒng)以砷化鎵為襯底，在襯底上設計有微波天線(A)、一分三功分器(B)、共面波導傳輸線(C)、二合一功合器(D)、MEMS懸臂梁電容式微波功率傳感器(E)和MEMS熱電式微波功率傳感器(F)然后根據(jù)余弦定理就可以確定信號3在經(jīng)過λ/2長度的共面波導傳輸線后和信號2的相位差。由于相位差與信號的頻率是一一對應的，所以信號的頻率也就可以測量出來。
文檔編號B81C1/00GK101788605SQ20101010365
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月1日 優(yōu)先權日2010年2月1日
發(fā)明者廖小平, 易真翔, 王德波 申請人:東南大學