專利名稱：基于微機械硅基固支梁的頻率檢測器及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了基于微機械硅基固支梁的頻率檢測器，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
頻率是表征微波信號的三大基本參數(shù)之一。微波信號頻率檢測器在雷達電子探測系統(tǒng)和微波通信領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。已有的微波頻率檢測器其原理是設(shè)法將被測量頻率直接或者間接地與標(biāo)準(zhǔn)頻率進行比較。目前，廣泛使用的頻率測量方法可分為以下四種夕卜差法、計數(shù)法、諧振法和比相法，它們具有高精度和寬頻帶的優(yōu)點，然而其最大的缺點是需要比較精密的測量儀器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代個人通信系統(tǒng)要求微波頻率檢測器具有簡單的結(jié)構(gòu)，小的體積以及小的直流功耗。近年來，隨著MEMS技術(shù)的快速發(fā)展，并對MEMS 固支梁結(jié)構(gòu)進行了深入的研究，使基于MEMS固支梁技術(shù)實現(xiàn)上述功能的硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管Si MOSFET (硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管)微波頻率檢測器成為可能。。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種基于MEMS固支梁并利用Si互補金屬氧化物半導(dǎo)體CMOS (互補金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝加工制作的基于微機械硅基固支梁的頻率檢測器及檢測方法，待測信號經(jīng)過功分器和90度移相器后產(chǎn)生兩路頻率相同存在90度相位差的微波信號，分別加載在Si MOSFET的柵極和MEMS固支梁的錨區(qū)上，當(dāng)下拉電極加直流偏置而使MEMS固支梁處于下拉的狀態(tài)態(tài)時，兩路信號同時加載到MOSFET的柵極上，通過檢測源漏極飽和電流，推斷出待測微波信號的頻率。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于微機械硅基固支梁的頻率檢測器，該頻率檢測器包括
功率分配器、90度移相器、低通濾波器和硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管；
功率分配器，用于接收待測微波信號，并將該待測微波信號分成幅度、相位相同的兩個支路信號，即第一路微波信號和第二路微波信號，并分別輸出給硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管和90度移相器；
90度移相器，用于接收所述第二路微波信號，將該第二路微波信號延遲，將該信號產(chǎn)生一個與頻率成正比的相移后，輸出第三路微波信號給硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管；
低通濾波器，用于通過隔直電容與硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管相連，濾去其輸出的高頻信號，得到與頻率相關(guān)的電流信號；
硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，用于實現(xiàn)頻率的檢測；其中，
硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管包括硅襯底，生長在硅襯底表面上的用于輸出飽和電流的源極和漏極，源極與漏極相對設(shè)置，在源極和漏極的外側(cè)分別設(shè)有第一固支梁錨區(qū)，第二固支梁錨區(qū)，跨接在源極和漏極之間的柵氧化層，設(shè)置在柵氧化層表面的柵極，設(shè)置在在該柵極上方且與柵極相對的固支梁，固支梁的兩側(cè)分別與第一固支梁錨區(qū)，第二固支梁錨區(qū)相連；
在柵極與第一固定梁錨區(qū)之間設(shè)有第一下拉電極，在柵極與第二固定梁錨區(qū)之間設(shè)有第二下拉電極，第一下拉電極和第 二下拉電極分別被絕緣介質(zhì)層覆蓋；
源極接地，漏極接正電壓；
功率分配器輸出的第一路微波信號輸出給柵極；
90度移相器的輸出的第三路微波信號輸出給硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管的固支梁。本發(fā)明還提供了一種用于基于微機械硅固支梁的頻率檢測器的檢測方法，該方法包括如下步驟
源極和漏極用于輸出飽和電流，由N型重摻雜區(qū)構(gòu)成；當(dāng)S硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管正常工作情況下，源極接地，漏極接正電壓，N型溝道中的電子將從源極流向漏極，電流方向由漏極到源極，柵極由多晶硅構(gòu)成，接正電壓；
待測微波信號經(jīng)過功率分配器分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號直接連接到柵極，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到第一固支梁的錨區(qū)和第二固支梁錨區(qū)；當(dāng)?shù)谝幌吕姌O和第二下拉電極上沒有直流偏置時，固支梁位于柵極的上方，硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管處于非頻率檢測狀態(tài)；
當(dāng)在一下拉電極和第二下拉電極加載直流偏置時，固支梁被下拉且與柵極接觸時，兩路微波信號同時加載到柵極上，硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管處在頻率檢測狀態(tài)，源極和漏極之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量，通過檢測飽和電流的大小最終實現(xiàn)頻率檢測。有益效果與現(xiàn)有的頻率檢測器相比，這種新型的基于微機械硅基固支梁的頻率檢測器具有以下顯著的優(yōu)點
USi MOSFET的源漏極飽和電流由兩個電壓共同控制，輸出電流是兩個柵電壓的乘積，起到了頻率檢測的作用；
2、MEMS固支梁可動結(jié)構(gòu)和下拉電極的存在，使得頻率檢測器可以處在檢測和非檢測狀態(tài)下；
3、該頻率檢測器的制作基于后CMOS微機械加工工藝，采用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)。


圖I是基于MEMS固支梁的Si MOSFET頻率檢測器的俯視 圖2是基于MEMS固支梁的Si MOSFET頻率檢測器的A-A’剖面 圖3是基于MEMS固支梁的Si MOSFET頻率檢測器的B-B’剖面 圖中包括Si襯底1，源極2，漏極3，柵氧化層4，柵極5，MEMS固支梁錨區(qū)6，MEMS固支梁7，下拉電極8，錨區(qū)壓焊塊9，下拉電極壓焊塊10，柵極壓焊塊11，下拉電極介質(zhì)層12。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
參見圖1-3，本發(fā)明提供的基于微機械硅基固支梁的頻率檢測器，該頻率檢測器包括
功率分配器P、90度移相器Y、低通濾波器L和Si MOSFET ；
功率分配器，用于接收待測微波信號，并將該待測微波信號分成幅度、相位相同的兩個支路信號，即第一路微波信號和第二路微波信號，并分別輸出給Si MOSFET和90度移相器；90度移相器，用于接收所述第二路微波信號，將該第二路微波信號延遲，將該信號產(chǎn)生一個與頻率成正比的相移后，輸出第三路微波信號給Si MOSFET結(jié)構(gòu)；
低通濾波器，用于通過隔直電容與Si MOSFET相連，濾去其輸出的高頻信號，得到與頻率相關(guān)的電流信號；
Si M0SFET，用于實現(xiàn)頻率的檢測；其中，
Si MOSFET包括硅襯底1，生長在硅襯底I表面上的用于輸出飽和電流的源極2和漏極3，源極2與漏極3相對設(shè)置，在源極2和漏極3的外側(cè)分別設(shè)有第一固支梁錨區(qū)61，第二固支梁錨區(qū)62，跨接在源極2和漏極3之間的柵氧化層4，設(shè)置在柵氧化層4表面的柵極5，設(shè)置在在該柵極5上方且與柵極5相對的固支梁7，固支梁7的兩側(cè)分別與第一固支梁錨區(qū)61，第二固支梁錨區(qū)62相連；
在柵極5與第一固定梁錨區(qū)61之間設(shè)有第一下拉電極81，在柵極5與第二固定梁錨區(qū)62之間設(shè)有第二下拉電極82，第一下拉電極81和第二下拉電極82分別被絕緣介質(zhì)層12覆蓋；
源極2接地，漏極3接正電壓；
功率分配器輸出的第一路微波信號輸出給柵極5 ；
90度移相器的輸出的第三路微波信號輸出給Si MOSFET的固支梁7。本發(fā)明還提供了一種用于基于微機械硅固支梁的頻率檢測器的檢測方法，該方法包括如下步驟
源極2和漏極3用于輸出飽和電流，由N型重摻雜區(qū)構(gòu)成；當(dāng)Si MOSFET正常工作情況下，源極2接地，漏極3接正電壓，N型溝道中的電子將從源極2流向漏極3，電流方向由漏極3到源極2，柵極5由多晶硅構(gòu)成，接正電壓；
待測微波信號經(jīng)過功率分配器P分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號直接連接到柵極5，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到第一固支梁的錨區(qū)61和第二固支梁錨區(qū)62 ；當(dāng)?shù)谝幌吕姌O81和第二下拉電極82上沒有直流偏置時，固支梁7位于柵極5的上方，Si MOSFET處于非頻率檢測狀態(tài)；
當(dāng)在一下拉電極81和第二下拉電極82加載直流偏置時，固支梁7被下拉且與柵極5接觸時，兩路微波信號同時加載到柵極5上，Si MOSFET處在頻率檢測狀態(tài)，源極2和漏極3之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量，通過檢測飽和電流的大小最終實現(xiàn)頻率檢測。 本發(fā)明的頻率檢測器是由基于MEMS固支梁結(jié)構(gòu)的Si M0SFET、功分器、90度線性移相器、隔直電容和低通濾波器組成的?；贛EMS固支梁的Si MOSFET是在普通MOSFET的基礎(chǔ)上，額外增加了 MEMS可動固支梁結(jié)構(gòu)，并使用兩個下拉電極來控制MEMS梁的up態(tài)和donw態(tài)
本發(fā)明的基于MEMS固支梁的Si MOSFET以多晶硅為襯底，襯底上設(shè)置有柵氧化層、源極、漏極、柵極、MEMS固支梁結(jié)構(gòu)和下拉電極。源漏區(qū)是重摻雜的N+區(qū)，柵極的材料是多晶硅。正常工作時，源極接地，漏極接Vdd，多晶硅柵極接負電壓，柵極和MEMS固支梁上電壓調(diào)整溝道耗盡層的寬度，改變源漏極之間的飽和電流的大小，輸出飽和電流的大小包含了輸入信號的頻率信息。MEMS可動固支梁結(jié)構(gòu)，位于Si MOSFET的柵極上方。下拉電極位于固支梁的下方，分布在柵極與固支梁錨區(qū)之間，其上覆蓋氮化硅絕緣介質(zhì)層。待測微波信號經(jīng)過功分器分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號直接連接到MOS管的柵極，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到MEMS固支梁的錨區(qū)。當(dāng)在下拉電極和固支梁之間加載直流偏置時，MEMS固支梁被下拉且與柵極接觸時，兩路微波信號同時加載到Si MOSFET的柵極上，Si MOSFET處在頻率檢測狀態(tài)，源漏極之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量。源漏極飽和電流通過隔直電容和低通濾波器，濾去高頻
基于MEMS固支梁的Si MOSFET頻率檢測器的工藝過程如下
(1)初始氧化(一次氧化);
(2)一次光刻和離子注入硼B(yǎng)+;
(3)退火和雜質(zhì)再分布；
(4)去除表面氧化層；
(5)底氧生長，形成柵氧化層；
(6)沉積氮化硅并刻蝕場區(qū)；
(7)P型場區(qū)閾值電壓調(diào)整；
(8)N型場區(qū)閾值電壓調(diào)整；
(9)場氧化；
(10)去除氮化硅、柵氧化層、NMOS閾值電壓調(diào)整；
(11)沉積多晶硅并光刻、刻蝕多晶硅圖形，形成SiMOSFET的柵極、MEMS梁下拉電極、壓焊塊和連接它們的引線；
(12)沉積氮化硅，形成下拉電極上的絕緣介質(zhì)層；
(13)離子注入形成PMOS、NMOS的源漏區(qū)；
(14)沉積二氧化硅并光刻、刻蝕二氧化硅圖形，形成MEMS梁的犧牲層；
(15)沉積多晶硅并光刻、刻蝕多晶硅圖形，形成MEMS梁結(jié)構(gòu)；
(16)低溫沉積摻磷二氧化硅；
(17)光刻引線孔并回流；
(18)沉積第一層金屬并完成第一層金屬引線的光刻和刻蝕；
(19)制作雙層引線間的介電材料；
(20)光刻和刻蝕雙層金屬間的連接通孔。(21)第二層金屬光刻與刻蝕；
(22)使用各向異性腐蝕液HF腐蝕犧牲層，釋放MEMS可動?xùn)?。區(qū)分是否為該結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下
為實現(xiàn)微波頻率檢測的功能，本發(fā)明的基于MEMS固支梁的Si MOSFET頻率檢測器，將待測微波信號經(jīng)過功分器分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號連接到MOS管的柵極，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到MEMS固支梁的錨區(qū)。MEMS固支梁位于柵極上方，在MEMS固支梁下方有兩個下拉電極。當(dāng)在下拉電極上加載一定的直流偏置時，MEMS固支梁被下拉且與柵極相連，兩路信號同時加載到Si MOSFET的柵極上，從而控制源漏極間的飽和電流的大小，隔直電容隔離直流信號，低通濾波器濾去高頻信號。本文發(fā)明的基于MEMS固支梁的Si MOSFET頻率檢測器的具體實施方案如下
在硅襯底I上設(shè)有源極2、漏極3、柵氧化層4、柵極5、MEMS固支梁錨區(qū)6、下拉電極8和下拉電極壓焊塊10。源極2和漏極3用于輸出飽和電流，由N型重摻雜區(qū)構(gòu)成。當(dāng)SiMOSFET正常工作情況下，源極2接地，漏極3接正電壓Vdd，N型溝道中的電子將從源極2流向漏極3，電流方向由漏極3到源極2。柵極5由多晶硅構(gòu)成，接正電壓。該頻率檢測器具有MEMS固支梁結(jié)構(gòu)7，橫跨在柵極5上，兩個下拉電極8位于固支梁7的下面，分布在柵極5的兩側(cè)，絕緣的介質(zhì)氮化硅12覆蓋在下拉電極8上。待測微 波信號經(jīng)過功分器分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號直接連接到MOS管的柵極5，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到MEMS固支梁的錨區(qū)6。當(dāng)兩個下拉電極上沒有直流偏置時，MEMS固支梁7位于up態(tài)，Si MOSFET處于非頻率檢測狀態(tài)。當(dāng)在下拉電極加載直流偏置時，MEMS固支梁被下拉且與柵極接觸時，兩路微波信號同時加載到Si MOSFET的柵極上，Si MOSFET處在頻率檢測狀態(tài)，源漏極之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量，通過檢測飽和電流的大小最終實現(xiàn)頻率檢測。滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的基于MEMS固支梁的Si MOSFET頻率檢測器。本發(fā)明的基于微機械硅基固支梁的頻率檢測器將待測微波信號通過功分器分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號直接連接到MOS管的柵極11，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到MEMS固支梁的錨區(qū)9，當(dāng)在下拉電極10和固支梁7之間加載直流偏置時，MEMS固支梁被下拉且與柵極5接觸時，包含頻率信息的另一路信號通過MEMS固支梁加到柵極上，Si MOSFET起到乘法器的作用，源漏極之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量。直流隔離電容隔離直流信號，源漏極飽和電流通過隔直電容和低通濾波器，濾去高頻信號，得到與頻率相關(guān)的電流信號。該結(jié)構(gòu)不但具有結(jié)構(gòu)簡單，易于測量的優(yōu)點，而且具有低直流功耗，易于集成及與單片微波集成電路兼容的優(yōu)點。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不以上述實施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書中記載的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于微機械硅基固支梁的頻率檢測器，其特征在于該頻率檢測器包括 功率分配器(P)、90度移相器(Y)、低通濾波器(L)和硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管； 功率分配器，用于接收待測微波信號，并將該待測微波信號分成幅度、相位相同的兩個支路信號，即第一路微波信號和第二路微波信號，并分別輸出給硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管和90度移相器； 90度移相器，用于接收所述第二路微波信號，將該第二路微波信號延遲，將該信號產(chǎn)生一個與頻率成正比的相移后，輸出第三路微波信號給硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)； 低通濾波器，用于通過隔直電容與硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管相連，濾去其輸出的高頻信號，得到與頻率相關(guān)的電流信號； 硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管，用于實現(xiàn)頻率的檢測；其中， 娃基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管包括娃襯底(I)，生長在娃襯底(I)表面上的用于輸出飽和電流的源極(2)和漏極(3)，源極(2)與漏極(3)相對設(shè)置，在源極(2)和漏極(3)的外側(cè)分別設(shè)有第一固支梁錨區(qū)(61)，第二固支梁錨區(qū)(62)，跨接在源極(2)和漏極(3)之間的柵氧化層(4)，設(shè)置在柵氧化層(4)表面的柵極(5)，設(shè)置在在該柵極(5)上方且與柵極(5)相對的固支梁(7)，固支梁(7)的兩側(cè)分別與第一固支梁錨區(qū)(61)，第二固支梁錨區(qū)(62)相連； 在柵極(5)與第一固定梁錨區(qū)(61)之間設(shè)有第一下拉電極(81)，在柵極(5)與第二固定梁錨區(qū)(62)之間設(shè)有第二下拉電極(82)，第一下拉電極(81)和第二下拉電極(82)分別被絕緣介質(zhì)層(12)覆蓋； 源極(2)接地，漏極(3)接正電壓； 功率分配器輸出的第一路微波信號輸出給柵極(5)； 90度移相器的輸出的第三路微波信號輸出給硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管的固支梁(7)。
2.一種用于權(quán)利要求I所述的基于微機械硅固支梁的頻率檢測器的檢測方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 源極(2)和漏極(3)用于輸出飽和電流，由N型重摻雜區(qū)構(gòu)成；當(dāng)硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管正常工作情況下，源極(2)接地，漏極(3)接正電壓，N型溝道中的電子將從源極(2)流向漏極(3)，電流方向由漏極(3)到源極(2)，柵極(5)由多晶硅構(gòu)成，接正電壓； 待測微波信號經(jīng)過功率分配器(P)分成幅度、相位完全相同的兩個支路信號，一路信號直接連接到柵極(5)，另一路信號經(jīng)過一個90度線性移相器之后連接到第一固支梁的錨區(qū)(61)和第二固支梁錨區(qū)(62);當(dāng)?shù)谝幌吕姌O(81)和第二下拉電極(82)上沒有直流偏置時，固支梁(7)位于柵極(5)的上方，硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管處于非頻率檢測狀態(tài)； 當(dāng)在一下拉電極(81)和第二下拉電極(82)加載直流偏置時，固支梁(7)被下拉且與柵極(5)接觸時，兩路微波信號同時加載到柵極(5)上，硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管處在頻率檢測狀態(tài)，源極(2)和漏極(3)之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量，通過檢測飽和電流的大小最終實現(xiàn)頻率檢測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于微機械硅基固支梁的頻率檢測器及檢測方法，該頻率檢測器包括功率分配器(P)、90度移相器(Y)、低通濾波器(L)和硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管；功率分配器，用于接收待測微波信號，并將該待測微波信號分成幅度、相位相同的兩個支路信號。檢測方法包括如下步驟當(dāng)在一下拉電極(81)和第二下拉電極(82)加載直流偏置時，固支梁(7)被下拉且與柵極(5)接觸時，兩路微波信號同時加載到柵極(5)上，硅基金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管處在頻率檢測狀態(tài)，源極(2)和漏極(3)之間的飽和電流輸出包含了待測信號頻率信息的電流分量，通過檢測飽和電流的大小最終實現(xiàn)頻率檢測。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于測量。
文檔編號G01R23/02GK102735925SQ201210204579
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月20日
發(fā)明者華迪, 廖小平 申請人:東南大學(xué)