專利名稱：間接加熱終端式微波功率微機械傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是利用終端負載的形式實現(xiàn)功率-熱量(溫度)-電壓的轉(zhuǎn)換方式測得微波功率的微電子機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，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特征的一個重要參數(shù)。在微波信號的產(chǎn)生、傳輸及接收等各個環(huán)節(jié)的研究中，微波功率測量是必不可少的，它已成為電磁測量的重要組成部分。在該領(lǐng)域國內(nèi)外都有大量研究，但用MEMS(微機電系統(tǒng)技術(shù))研制的微結(jié)構(gòu)微波功率傳感器還很少，我國在這方面已有多年的研究。
在通信和集成電路中，越來越高的系統(tǒng)頻率對低成本、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)模電路進行簡單集成，但小尺寸平面元件使得制造更困難、成本更高。隨著微機械加工技術(shù)不斷發(fā)展，它現(xiàn)在越來越多地應(yīng)用到微波領(lǐng)域中，這就使得各種無源微波元件可用微機械加工技術(shù)制造，從而實現(xiàn)微波元件與數(shù)模電路的簡單集成?，F(xiàn)在的微波功率測量采用了脫離功率計讀出元件的傳感器模塊。間接加熱終端式微波功率微機械傳感器就是其中的一種傳感器模塊。
傳統(tǒng)的功率計采用波導(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，它的主要缺點是響應(yīng)慢、燒毀水平低、測量高功率時要用到衰減器。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本實用新型的目的是提供一種利用熱電轉(zhuǎn)換來測量微波功率的間接加熱終端式微波功率微機械傳感器。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，具有生產(chǎn)成本低、可靠性和可重復(fù)性高以及可以進行簡單集成等優(yōu)點。
技術(shù)方案本實用新型的間接加熱終端式微波功率微機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的微機械共面波導(dǎo)來輸入功率，在共面波導(dǎo)終端連接了一個與之匹配的終端電阻，此電阻由兩個100Ω的薄膜電阻并聯(lián)成50Ω，電阻附近是微機械熱電堆，它是用來測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(該微機械傳感器長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一個中間通孔與終端電阻相連通。
有益效果長期以來由于微波功率MEMS傳感器結(jié)構(gòu)的特殊性，對該類器件的研究開發(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，尋找到了可以與簡單數(shù)模電路集成的實現(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，可測量較小功率等優(yōu)點。
本實用新型中的間接加熱終端式微波功率微機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的微機械共面波導(dǎo)來輸入功率，在共面波導(dǎo)終端連接了一個與之匹配的終端電阻，此電阻由兩個100Ω的薄膜電阻并聯(lián)成50Ω，電阻附近是微機械熱電堆，它是用來測量吸收了功率而發(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械傳感器具有以下主要特點一、這種測量方式與輸入的頻率及波形無關(guān)，所以整個器件特別是終端負載與頻率無關(guān)；二、間接加熱終端式微波功率微機械傳感器可以采用GaAs MMIC工藝制造，從而實現(xiàn)與數(shù)模電路的簡單集成。
基于以上間接加熱終端式微波功率微機械傳感器結(jié)構(gòu)的特點，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題，并易于實現(xiàn)器件的高可靠性、高重復(fù)性、低生產(chǎn)成本，很好地滿足簡單集成的要求。因此，間接加熱終端式微波功率微機械傳感器結(jié)構(gòu)具有較好的應(yīng)用價值和廣闊的市場潛力。
間接加熱終端式微波功率微機械傳感器結(jié)構(gòu)為真正實現(xiàn)功率測量結(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械傳感器實體結(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。
具體實施方式
本實用新型的間接加熱終端式微波功率微機械傳感器的具體結(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一個中間通孔與終端電阻2相連通。
以我們已經(jīng)設(shè)計出的基于GaAs MMIC工藝的實現(xiàn)方案?；贕aAs MMIC工藝實現(xiàn)間接加熱終端式微波功率微機械傳感器結(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，整個技術(shù)方案中還需注意一些問題，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，為了增強微機械熱電堆的機械穩(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共面波導(dǎo)的性能有很大的影響，這就給刻蝕過程提出了比較高的要求，刻蝕效果的好壞對整個傳感器來說是十分重要的。
縱觀整個實現(xiàn)該間接加熱終端式微波功率微機械傳感器的工藝過程，其中沒有引進任何的復(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械傳感器結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)功率測量結(jié)構(gòu)在集成電路中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，進而推動整個集成電路產(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一個中間通孔與終端電阻(2)相連通。
專利摘要間接加熱終端式微波功率微機械傳感器是利用終端負載的形式實現(xiàn)功率－熱量－電壓的轉(zhuǎn)換方式測得微波功率的微電子機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，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)和熱電堆的內(nèi)端上面設(shè)有終端電阻(2)，在熱電堆的外端設(shè)有接觸墊(4)；其中熱電堆由熱電偶臂(6)、SiON介質(zhì)(7)、金屬互連線(8)、接觸區(qū)金屬(9)所組成，熱電偶臂和SiON介質(zhì)為條狀沿該傳感器的長度方向相間隔排列，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)(10)，在絕緣介質(zhì)(10)的上面設(shè)有終端電阻；共面波導(dǎo)與終端電阻相連通。
文檔編號G01R21/02GK2733367SQ20042007923
公開日2005年10月12日 申請日期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 申請人:東南大學(xué)