本發(fā)明提出了硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)直接式毫米波相位檢測器，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

二十一世紀是電子科學(xué)技術(shù)與信息科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的時代，在這個時代中，各種各樣的電子設(shè)備充斥在人們的周圍，而這些電子設(shè)備都離不開對信號的檢測或處理，由此可見，信號的檢測是一項當(dāng)今非常重要的技術(shù)。構(gòu)成信號的三大要素分別為功率、相位和頻率，其中對信號的相位檢測是一項極為重要的內(nèi)容，相位檢測器在航空航天、軍事以及通信領(lǐng)域內(nèi)都有著巨大的應(yīng)用價值，因此信號的相位檢測技術(shù)正日益受到人們的關(guān)注。毫米波信號是一種處于微波和遠紅外波交疊區(qū)域內(nèi)的極高頻率的電磁波，由于頻帶資源的有限，人們正不斷開發(fā)高頻率的資源，而毫米波信號的檢測和處理正是人們需要的一項技術(shù)，如今的相位檢測器不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且大多無法達到很高的工作頻率，為此需要設(shè)計一種新型的毫米波相位檢測器來適應(yīng)這不斷發(fā)展的時代。

隨著對共面波導(dǎo)傳輸線縫隙耦合結(jié)構(gòu)、T型結(jié)功分器、T型結(jié)功合器以及直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)計了一種在已知頻率下的毫米波在線相位檢測器，它采用了共面波導(dǎo)傳輸線縫隙耦合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)毫米波的相位檢測，實現(xiàn)了相位檢測器的高集成性，大大提高了檢測效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)直接式毫米波相位檢測器，本發(fā)明采用了共面波導(dǎo)傳輸線縫隙耦合結(jié)構(gòu)來進行相位檢測，在功率分配和功率合成方面則采用了T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器的結(jié)構(gòu)，在信號的功率測量方面則采用了直接式熱電式功率傳感器，從而實現(xiàn)了毫米波的在線相位檢測。

技術(shù)方案：本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)直接式毫米波相位檢測器是由共面波導(dǎo)傳輸線、一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)、二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)、三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)、四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)、移相器、一個T型結(jié)功分器、二個T型結(jié)功合器以及四個直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：第一端口是信號輸入端，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)和二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)位于共面波導(dǎo)傳輸線上側(cè)地線，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)和四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)則位于共面波導(dǎo)傳輸線下側(cè)地線，這兩對縫隙關(guān)于中心信號線對稱，它們之間由一個移相器隔開，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第二端口，第二端口與一號直接式熱電式功率傳感器相連，同樣的，二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第三端口，第三端口與二號直接式熱電式功率傳感器連接；再看相位檢測模塊，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第四端口相連，第四端口連接到一號T型結(jié)功合器，四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第五端口相連，第五端口連接到二號T型結(jié)功合器，參考信號通過三號T型結(jié)功分器的輸入端輸入，三號T型結(jié)功分器的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和二號T型結(jié)功合器，然后，一號T型結(jié)功合器的輸出端連接三號直接式熱電式功率傳感器，二號T型結(jié)功合器的輸出端連接四號直接式熱電式功率傳感器，第六端口處連接著后續(xù)處理電路。

對于相位檢測模塊，它主要由兩個縫隙耦合結(jié)構(gòu)、一段移相器、兩個T型結(jié)功合器、一個T型結(jié)功分器以及兩個直接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成，毫米波信號首先經(jīng)過第一個縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出小部分的信號P₃，然后經(jīng)過一段移相器之后再由另一個縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出部分的信號P₄，由于縫隙尺寸相同，所以P₃＝P₁、P₄＝P₂，這兩個耦合信號的初始相位都為Φ，并且它們之間產(chǎn)生了一定的相位差實際上這段移相器就是一段共面波導(dǎo)傳輸線，它的長度設(shè)置為以中心頻率f₀為35GHz處波長的1/4，此時相位差剛好是90°，在不同的頻率f下，相位差是頻率f的函數(shù)：

其中f為毫米波信號的頻率，c為光速，ε_er為傳輸線的相對介電常數(shù)，ΔL為移相器的長度，對于已知的頻率f，根據(jù)函數(shù)關(guān)系式就能得到相位差的大小。已知頻率的參考信號P_c經(jīng)過T型結(jié)功分器分解成左右兩路一模一樣的信號，左邊一路信號與第一個縫隙耦合信號進行功率合成，得到合成功率P_L，它是關(guān)于相位Φ的三角函數(shù)關(guān)系；而右邊一路信號與第二個縫隙耦合信號進行功率合成，得到合成功率P_R，它是關(guān)于相位的三角函數(shù)關(guān)系；

結(jié)合這兩個關(guān)系式，只要測得左右兩路合成信號的功率大小，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。

有益效果：在本發(fā)明中，采用了共面波導(dǎo)傳輸線縫隙耦合結(jié)構(gòu)來進行相位檢測，這種結(jié)構(gòu)能將小部分的毫米波信號耦合出來，并利用這部分耦合信號來測量相位，而大部分的信號能夠繼續(xù)在共面波導(dǎo)傳輸線上傳播并進行后續(xù)信號處理，其中功分器和功合器采用了T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器結(jié)構(gòu)，功率檢測器則采用了直接式熱電式功率傳感器，大大的提高了信號檢測的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)直接式毫米波相位檢測器的俯視圖

圖2為本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)直接式毫米波相位檢測器中T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器的俯視圖

圖3為本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)直接式毫米波相位檢測器中直接式熱電式功率傳感器的俯視圖

圖4為本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)直接式毫米波相位檢測器中直接式熱電式功率傳感器AA’方向的剖面圖

圖5為本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)直接式毫米波相位檢測器中直接式熱電式功率傳感器BB’方向的剖面圖

圖中包括：相位檢測模塊1，高阻Si襯底2，SiO₂層3，共面波導(dǎo)傳輸線4，金屬臂5，P型半導(dǎo)體臂6，歐姆接觸7，熱端8，冷端9，隔直電容10，輸出電極11，移相器12，縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-1，縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-2，縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-3，縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-4，扇形缺陷結(jié)構(gòu)14，空氣橋15，隔直電容下極板16，Si₃N₄介質(zhì)層17，隔直電容上極板18，襯底膜結(jié)構(gòu)19，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。

具體實施方案

本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)直接式毫米波相位檢測器是基于高阻Si襯底2制作的，是由共面波導(dǎo)傳輸線4、一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-1、二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-2、三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-3、四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-4、移相器12、一個T型結(jié)功分器、二個T型結(jié)功合器以及四個直接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成。

T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器的結(jié)構(gòu)是相同的，主要由共面波導(dǎo)傳輸線4、兩個扇形缺陷結(jié)構(gòu)14和三個空氣橋15構(gòu)成，扇形缺陷結(jié)構(gòu)14是位于兩個輸入端口處的扇形形狀的缺陷地結(jié)構(gòu)，而空氣橋15是位于中心信號線上方的梁結(jié)構(gòu)。

采用直接式熱電式功率傳感器來實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，它主要由共面波導(dǎo)傳輸線4、金屬臂5、P型半導(dǎo)體臂6以及一個隔直電容10構(gòu)成，其中金屬臂5和P型半導(dǎo)體臂6構(gòu)成的兩個熱電偶是并聯(lián)連接的，而共面波導(dǎo)傳輸線4直接與這兩個熱電偶的一端相連。

具體結(jié)構(gòu)的連接關(guān)系如下：第一端口1-1是信號輸入端，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-1和二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-2位于共面波導(dǎo)傳輸線4上側(cè)地線，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-3和四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-4則位于共面波導(dǎo)傳輸線4下側(cè)地線，這兩對縫隙關(guān)于中心信號線對稱，它們之間由一個移相器12隔開，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-1連接到第二端口1-2，第二端口1-2與一號直接式熱電式功率傳感器相連，同樣的，二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-2連接到第三端口1-3，第三端口1-3與二號直接式熱電式功率傳感器連接；再看相位檢測模塊1，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-3與第四端口1-4相連，第四端口1-4連接到一號T型結(jié)功合器，四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)13-4與第五端口1-5相連，第五端口1-5連接到二號T型結(jié)功合器，參考信號通過三號T型結(jié)功分器的輸入端輸入，三號T型結(jié)功分器的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和二號T型結(jié)功合器，然后，一號T型結(jié)功合器的輸出端連接三號直接式熱電式功率傳感器，二號T型結(jié)功合器的輸出端連接四號直接式熱電式功率傳感器，第六端口1-6處連接著后續(xù)處理電路。

本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)直接式毫米波相位檢測器的制備方法為：

1)準備高阻Si襯底2(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長一層SiO₂層3，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)，以達到制作熱電偶金屬臂5的電阻率要求。

4)利用掩模版2對要制作熱電偶P型半導(dǎo)體臂6的地方再次進行P型離子注入，達到P型半導(dǎo)體臂6的電阻率要求；

5)涂覆光刻膠，對多晶硅層進行光刻，最終形成熱電偶的金屬臂5和P型半導(dǎo)體臂6；

6)在熱電偶的金屬臂5和P型半導(dǎo)體臂6連接處制作歐姆接觸7；

7)在襯底上涂覆光刻膠，去除傳輸線、隔直電容10和輸出電極11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、隔直電容的下極板16和輸出電極11；

8)在前面步驟處理得到的Si襯底上，通過PECVD生成一層厚的Si₃N₄介質(zhì)層，光刻Si₃N₄介質(zhì)層，僅保留要制作隔直電容10和空氣橋15位置處的Si₃N₄介質(zhì)層17；

9)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15下方的聚酰亞胺犧牲層；

10)涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作傳輸線、隔直電容10、輸出電極11以及空氣橋15地方的光刻膠，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、隔直電容的上極板18、輸出電極11以及空氣橋15；

11)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)19地方的光刻膠，在熱電偶中間區(qū)域即熱端8下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結(jié)構(gòu)19，保留約為40μm厚的膜結(jié)構(gòu)；

12)釋放聚酰亞胺犧牲層，以去除空氣橋15下方的聚酰亞胺犧牲層；最后，在去離子水中浸泡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)㈦姶艌鲂盘栺詈铣鲆徊糠?，由于這部分小信號擁有同樣的相位，從而利用這耦合出的部分小信號來檢測原毫米波信號的相位大小，實現(xiàn)已知頻率下的毫米波相位檢測；功率分配器和功率合成器采用T型結(jié)功分器和T型結(jié)功合器的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)功率的平分或合成；至于對合成信號的檢測，則采用直接式熱電式功率傳感器來實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。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的檢測效率，同時由于耦合出的信號能量和原信號相比非常小，因此幾乎對原毫米波信號影響不大，原毫米波信號可以繼續(xù)向后傳播進行后續(xù)的電路處理。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式T型結(jié)直接式毫米波相位檢測器。