專利名稱：間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是利用終端負(fù)載的形式實(shí)現(xiàn)功率—熱量(溫度)—電壓的轉(zhuǎn)換方式測(cè)得微波功率的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品及其制備方法，屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在微波技術(shù)研究中，微波功率是表征微波信號(hào)特征的一個(gè)重要參數(shù)。在微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸及接收等各個(gè)環(huán)節(jié)的研究中，微波功率測(cè)量是必不可少的，它已成為電磁測(cè)量的重要組成部分。在該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外都有大量研究，但用MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù))研制的微結(jié)構(gòu)微波功率傳感器還很少，我國(guó)在這方面已有多年的研究。
在通信和集成電路中，越來(lái)越高的系統(tǒng)頻率對(duì)低成本、小型化的微波器件提出了新的要求，而各種傳輸線如微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)(CPW)等的平面化，使得設(shè)計(jì)更具靈活性，并能夠減小重量、體積和制造成本。在許多應(yīng)用中要求微波器件能和數(shù)模電路進(jìn)行簡(jiǎn)單集成，但小尺寸平面元件使得制造更困難、成本更高。隨著微機(jī)械加工技術(shù)不斷發(fā)展，它現(xiàn)在越來(lái)越多地應(yīng)用到微波領(lǐng)域中，這就使得各種無(wú)源微波元件可用微機(jī)械加工技術(shù)制造，從而實(shí)現(xiàn)微波元件與數(shù)模電路的簡(jiǎn)單集成?，F(xiàn)在的微波功率測(cè)量采用了脫離功率計(jì)讀出元件的傳感器模塊。間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器就是其中的一種傳感器模塊。
傳統(tǒng)的功率計(jì)采用波導(dǎo)形式的熱電功率傳感器常用鉍—銻作熱偶，采用同軸電纜作為傳輸線，它的主要缺點(diǎn)是響應(yīng)慢、燒毀水平低、測(cè)量高功率時(shí)要用到衰減器。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提供一種利用熱電轉(zhuǎn)換來(lái)測(cè)量微波功率的間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器及其制備方法。應(yīng)用該結(jié)構(gòu)可以克服傳統(tǒng)波導(dǎo)形式的熱電功率傳感器的缺點(diǎn)，具有生產(chǎn)成本低、可靠性和可重復(fù)性高以及可以進(jìn)行簡(jiǎn)單集成等優(yōu)點(diǎn)。
技術(shù)方案本發(fā)明的間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器不同于傳統(tǒng)的波導(dǎo)形式的熱電功率傳感器，該結(jié)構(gòu)利用50Ω的微機(jī)械共面波導(dǎo)來(lái)輸入功率，在共面波導(dǎo)終端連接了一個(gè)與之匹配的終端電阻，此電阻由兩個(gè)100Ω的薄膜電阻并聯(lián)成50Ω，電阻附近是微機(jī)械熱電堆，它是用來(lái)測(cè)量吸收了微波功率而發(fā)熱的終端電阻的熱量的，根據(jù)熱電堆的直流輸出電壓，我們可以相應(yīng)地得知輸入功率的大小。
在結(jié)構(gòu)上，本發(fā)明的間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器在襯底上設(shè)有共面波導(dǎo)和熱電堆，在共面波導(dǎo)和熱電堆的內(nèi)端(該微機(jī)械傳感器長(zhǎng)度方向的兩頭為外端，其中間為內(nèi)端)上面設(shè)有終端電阻，在熱電堆的外端設(shè)有接觸墊；其中熱電堆由熱電偶臂、SiON介質(zhì)、金屬互連線、接觸區(qū)金屬所組成，熱電偶臂和SiON介質(zhì)為條狀沿該傳感器的長(zhǎng)度方向相間隔排列，在熱電偶臂上設(shè)有接觸區(qū)金屬，在SiON介質(zhì)和接觸區(qū)金屬的上面設(shè)有金屬互連線；在共面波導(dǎo)和金屬互連線內(nèi)端的上面設(shè)有絕緣介質(zhì)，在絕緣介質(zhì)的上面設(shè)有終端電阻；共面波導(dǎo)與終端電阻相連通。
其中襯底采用GaAs材料；熱電偶臂采用AlGaAs材料。
共面波導(dǎo)有三條金屬帶，兩邊的兩條金屬帶分別由共面波導(dǎo)的兩邊直接與終端電阻相連通；中間的一條金屬帶通過(guò)一個(gè)中間通孔與終端電阻相連通。
實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的具體方法為1、準(zhǔn)備GaAs襯底，2、在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)GaAs，作為緩沖層，3、在GaAs上外延AlGaAs(鋁鎵砷)，同時(shí)對(duì)AlGaAs進(jìn)行摻雜，4、光刻AlGaAs并刻蝕出熱偶臂，5、發(fā)金屬層Ni/AuGe(鎳/金鍺)，6、光刻并刻蝕金屬層，7、退火，獲得接觸區(qū)，8、淀積SiON(硅氧氮)介質(zhì)層，并光刻、刻蝕，獲得熱電堆中使金屬互連線8和接觸區(qū)9相連接的互連接觸孔，9、淀積金屬(Au)并光刻出共面波導(dǎo)和金屬互連線，10、淀積絕緣介質(zhì)層，11、淀積金屬(比如鎳鉻合金)，并刻蝕獲得終端電阻，12、光刻、刻蝕介質(zhì)層，獲得終端電阻與熱電堆之間的絕緣介質(zhì)層。
有益效果長(zhǎng)期以來(lái)由于微波功率MEMS傳感器結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)該類器件的研究開(kāi)發(fā)僅局限于科研領(lǐng)域。微波功率MEMS傳感器應(yīng)用于集成電路的大規(guī)模生產(chǎn)存在著與主流工藝不兼容、可重復(fù)性可靠性差、生產(chǎn)成本高等一系列障礙。本發(fā)明中的間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)，突破了傳統(tǒng)的波導(dǎo)形式的熱電功率傳感器結(jié)構(gòu)和工藝的思維限制，尋找到了可以與簡(jiǎn)單數(shù)模電路集成的實(shí)現(xiàn)方法，可重復(fù)性可靠性都有較大的提高，生產(chǎn)成本大幅降低。而且，此傳感器具有線性度好，頻帶范圍寬，功率精度高，響應(yīng)速度快，可測(cè)量較小功率等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明中的間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器不同于傳統(tǒng)的波導(dǎo)形式的熱電功率傳感器，該結(jié)構(gòu)利用50Ω的微機(jī)械共面波導(dǎo)來(lái)輸入功率，在共面波導(dǎo)終端連接了一個(gè)與之匹配的終端電阻，此電阻由兩個(gè)100Ω的薄膜電阻并聯(lián)成50Ω，電阻附近是微機(jī)械熱電堆，它是用來(lái)測(cè)量吸收了功率而發(fā)熱的終端電阻的熱量的，根據(jù)熱電堆的直流輸出電壓，我們可以相應(yīng)地得知輸入功率的大小。相比而言，間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器具有以下主要特點(diǎn)一、這種測(cè)量方式與輸入的頻率及波形無(wú)關(guān)，所以整個(gè)器件特別是終端負(fù)載與頻率無(wú)關(guān)；二、間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器可以采用GaAs MMIC工藝制造，從而實(shí)現(xiàn)與數(shù)模電路的簡(jiǎn)單集成。
基于以上間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，很明顯的可以看出本發(fā)明很好的解決了上文中提及的傳統(tǒng)的波導(dǎo)形式的熱電功率傳感器所遇到的各種問(wèn)題，并易于實(shí)現(xiàn)器件的高可靠性、高重復(fù)性、低生產(chǎn)成本，很好地滿足簡(jiǎn)單集成的要求。因此，間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)具有較好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)潛力。
間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)為真正實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量結(jié)構(gòu)在集成電路中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供了支持和保證。


圖1是間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器實(shí)體結(jié)構(gòu)圖。其中有共面波導(dǎo)1，終端電阻2，熱電堆3，接觸墊4。
圖2是圖1中A～A面的剖視圖，其中有襯底5，熱電偶臂6，SiON介質(zhì)7，金屬互連線8，接觸區(qū)9，絕緣介質(zhì)10，圖3是圖1中B～B面的局部剖視圖。
圖4是固定頻率條件下，輸出與功率的關(guān)系圖。
圖5是固定功率條件下，輸出與頻率的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器的具體結(jié)構(gòu)如下在襯底5上設(shè)有共面波導(dǎo)1和熱電堆3，在共面波導(dǎo)1和熱電堆3的內(nèi)端上面設(shè)有終端電阻2，在熱電堆3的外端設(shè)有接觸墊4；其中熱電堆3由熱電偶臂6、SiON介質(zhì)7、金屬互連線8、接觸區(qū)9所組成，熱電偶臂6和SiON介質(zhì)7為條狀沿該傳感器的長(zhǎng)度方向相間隔排列，在熱電偶臂6上設(shè)有接觸區(qū)9，在SiON介質(zhì)7和接觸區(qū)9的上面設(shè)有金屬互連線8；在共面波導(dǎo)1和金屬互連線8內(nèi)端的上面設(shè)有絕緣介質(zhì)10，在絕緣介質(zhì)10的上面設(shè)有終端電阻2；共面波導(dǎo)1與終端電阻2相連通。
襯底5采用GaAs材料。熱電偶臂6采用AlGaAs材料。
共面波導(dǎo)1有三條金屬帶，兩邊的兩條金屬帶分別由共面波導(dǎo)1的兩邊直接與終端電阻2相連通；中間的一條金屬帶通過(guò)一個(gè)中間通孔與終端電阻2相連通。
以我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出的基于GaAs MMIC工藝的實(shí)現(xiàn)方案?；贕aAs MMIC工藝實(shí)現(xiàn)間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)方案的具體工藝步驟和參數(shù)如下1)準(zhǔn)備GaAs襯底(厚400um)2)在襯底上外延GaAs(0.05um未摻雜)，作為緩沖層3)在GaAs上外延AlGaAs(鋁鎵砷)(1um，n＝1017cm-3)4)光刻AlGaAs并刻蝕出熱偶臂5)蒸發(fā)金屬層Ni/AuGe(鎳/金鍺)(0.2um)
6)光刻并刻蝕金屬層7)退火，獲得歐姆接觸區(qū)8)淀積SiON(硅氧氮)介質(zhì)層，并刻蝕刻蝕，獲得熱電堆中使金屬互連線8和接觸區(qū)9相連接的互連接觸孔，9)淀積金屬(Au)并光刻出共面波導(dǎo)和熱電堆互連線10)淀積絕緣介質(zhì)層11)淀積金屬(比如NiCr)，并刻蝕獲得兩個(gè)并聯(lián)的100歐姆的終端電阻12)光刻、刻蝕介質(zhì)層，獲得電阻與熱電堆之間的介質(zhì)除此之外，整個(gè)技術(shù)方案中還需注意一些問(wèn)題，其中包括終端電阻的阻值必須非常精確，所以尺寸的控制非常重要。另外，為了增強(qiáng)微機(jī)械熱電堆的機(jī)械穩(wěn)定性，其非金屬臂之間的距離必須是相等的；共面波導(dǎo)的刻蝕表面的粗糙度對(duì)共面波導(dǎo)的性能有很大的影響，這就給刻蝕過(guò)程提出了比較高的要求，刻蝕效果的好壞對(duì)整個(gè)傳感器來(lái)說(shuō)是十分重要的。
縱觀整個(gè)實(shí)現(xiàn)該間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器的工藝過(guò)程，其中沒(méi)有引進(jìn)任何的復(fù)雜特殊的工藝，完全與現(xiàn)有的GaAs MMIC(單片微波集成電路)工藝相兼容。因此，應(yīng)用本發(fā)明中的間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量結(jié)構(gòu)在集成電路中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
權(quán)利要求
1.一種間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器，其特征在于在襯底(5)上設(shè)有共面波導(dǎo)(1)和熱電堆(3)，在共面波導(dǎo)(1)和熱電堆(3)的內(nèi)端上面設(shè)有終端電阻(2)，在熱電堆(3)的外端設(shè)有接觸墊(4)；其中熱電堆(3)由熱電偶臂(6)、SiON介質(zhì)(7)、金屬互連線(8)、接觸區(qū)金屬(9)所組成，熱電偶臂(6)和SiON介質(zhì)(7)為條狀沿該傳感器的長(zhǎng)度方向相間隔排列，在熱電偶臂(6)上設(shè)有接觸區(qū)金屬(9)，在SiON介質(zhì)(7)和接觸區(qū)金屬(9)的上面設(shè)有金屬互連線(8)；在共面波導(dǎo)(1)和金屬互連線(8)內(nèi)端的上面設(shè)有絕緣介質(zhì)(10)，在絕緣介質(zhì)(10)的上面設(shè)有終端電阻(2)；共面波導(dǎo)(1)與終端電阻(2)相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器，其特征在于襯底(5)采用GaAs材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器，其特征在于熱電偶臂(6)采用AlGaAs材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器，其特征在于共面波導(dǎo)(1)有三條金屬帶，兩邊的兩條金屬帶分別由共面波導(dǎo)(1)的兩邊直接與終端電阻(2)相連通；中間的一條金屬帶通過(guò)一個(gè)中間通孔與終端電阻(2)相連通。
5.一種如權(quán)利要求1所述的間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器的制備方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的具體方法為1)準(zhǔn)備GaAs襯底(5)，2)在GaAs襯底上外延生長(zhǎng)GaAs，作為緩沖層，3)在GaAs上外延AlGaAs，同時(shí)對(duì)AlGaAs進(jìn)行摻雜，4)光刻AlGaAs并刻蝕出熱偶臂(6)，5)發(fā)金屬層Ni/AuGe，6)光刻并刻蝕金屬層，7)退火，獲得接觸區(qū)8)淀積SiON介質(zhì)層，并光刻、刻蝕，獲得熱電堆中使金屬互連線8和接觸區(qū)9相連接的互連接觸孔，9)淀積金屬Au并光刻出共面波導(dǎo)(1)和金屬互連線(8)，10)淀積絕緣介質(zhì)層(10)，11)淀積金屬，并刻蝕獲得終端電阻(2)，12)光刻、刻蝕介質(zhì)層，獲得終端電阻與熱電堆之間的絕緣介質(zhì)層(10)。
全文摘要
間接加熱終端式微波功率微機(jī)械傳感器及其制備方法是利用終端負(fù)載的形式實(shí)現(xiàn)功率—熱量—電壓的轉(zhuǎn)換方式測(cè)得微波功率的微電子機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品及其制備方法，在結(jié)構(gòu)上，襯底上設(shè)有共面波導(dǎo)和熱電堆，在共面波導(dǎo)和熱電堆的內(nèi)端上面設(shè)有終端電阻，在熱電堆的外端設(shè)有接觸墊；制造的方法為在襯底上外延生長(zhǎng)GaAs，；同時(shí)對(duì)AlGaAs進(jìn)行摻雜；光刻AlGaAs并刻蝕出熱偶臂，發(fā)金屬層Ni/AuGe；光刻并刻蝕金屬層；退火，獲得接觸區(qū)；淀積SiON介質(zhì)層，并光刻、刻蝕獲得熱電堆中的互連接觸孔；淀積金屬Au并光刻出共面波導(dǎo)和金屬互連線；刻蝕獲得終端電阻；光刻、刻蝕介質(zhì)層，獲得終端電阻與熱電堆之間的絕緣介質(zhì)層。
文檔編號(hào)G01R21/02GK1598600SQ20041004188
公開(kāi)日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2004年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月7日
發(fā)明者廖小平, 范小燕 申請(qǐng)人:東南大學(xué)