本發(fā)明提出了一種懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在微波技術(shù)領(lǐng)域中，相位是微波信號(hào)的重要參數(shù)之一，微波信號(hào)相位檢測(cè)在微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳播和接收的各個(gè)環(huán)節(jié)中都有著極其重要的作用，是電磁測(cè)量不可缺少的一部分。在實(shí)際應(yīng)用中，微波信號(hào)相位檢測(cè)系統(tǒng)可用于測(cè)量物體的方位角、提取運(yùn)動(dòng)物體的多普勒頻移、相控陣?yán)走_(dá)以及測(cè)量器件的相位特性等。微波信號(hào)相位檢測(cè)的方法主要有兩種：信號(hào)分解法和矢量合成法。它們的優(yōu)點(diǎn)是精度高，寬頻帶，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線式檢測(cè)，并且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，體積相對(duì)較大。本發(fā)明在高阻硅襯底上設(shè)計(jì)了一種懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器。它利用了懸臂梁結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位檢測(cè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)提高了系統(tǒng)的集成度，能夠?qū)崿F(xiàn)在線式檢測(cè)，效率較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是提出一種懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器，本發(fā)明在微波信號(hào)耦合方面采用懸臂梁結(jié)構(gòu)耦合微波信號(hào)，在微波功率的合成方面采用T形結(jié)，在微波信號(hào)的功率檢測(cè)方面采用間接熱電式微波功率傳感器，在微波相位檢測(cè)方面采用矢量合成法，從而實(shí)現(xiàn)了在線式微波相位的檢測(cè)。

技術(shù)方案：懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器，在高阻硅襯底上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、兩個(gè)關(guān)于共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線對(duì)稱(chēng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)、T形結(jié)以及兩個(gè)間接熱電式微波功率傳感器，共面波導(dǎo)傳輸線由共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線和地線構(gòu)成，待測(cè)微波信號(hào)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線，兩個(gè)關(guān)于共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線對(duì)稱(chēng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)懸于待測(cè)信號(hào)傳輸線的共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線上方，上側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)通過(guò)間接熱電式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線連接間接熱電式微波功率傳感器1，下側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)通過(guò)T形結(jié)的第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線連接至T形結(jié)的一個(gè)輸入端，T形結(jié)的另一個(gè)輸入端通過(guò)T形結(jié)的第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線連接參考信號(hào)輸入端口，輸出端通過(guò)第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線連接間接熱電式微波功率傳感器2。

T型結(jié)由第一空氣橋、第二空氣橋、第三空氣橋、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線和第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線成，為三端口器件，可用于功率合成，無(wú)需隔離電阻，其中空氣橋用于地線之間的互連，為了方便空氣橋的釋放，在空氣橋上制作了一組小孔陣列。

間接熱電式微波功率傳感器由金屬熱偶臂、半導(dǎo)體熱偶臂、歐姆接觸區(qū)、終端電阻、直流輸出塊構(gòu)成，間接熱電式微波功率傳感器基于塞貝克原理檢測(cè)微波信號(hào)的功率大小，并以一直流電壓的形式輸出檢測(cè)結(jié)果。

本發(fā)明提供了一種懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器，位于共面波導(dǎo)傳輸線上方的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的懸臂梁在線耦合出部分微波信號(hào)，上側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)連接間接熱電式微波功率傳感器1檢測(cè)功率大小，下側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)將耦合信號(hào)輸入T形結(jié)并與參考信號(hào)進(jìn)行矢量合成，T形結(jié)輸出端連接間接熱電式微波功率傳感器2檢測(cè)合成后的信號(hào)功率。根據(jù)間接熱電式微波功率傳感器2直流輸出電壓的大小，推斷出待測(cè)信號(hào)的相位。本發(fā)明的懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器，不但具有易于測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微波信號(hào)相位的在線式檢測(cè)，易于集成以及與高阻硅單片微波集成電路兼容的優(yōu)點(diǎn)。

同時(shí)，由于懸臂梁結(jié)構(gòu)耦合出來(lái)的信號(hào)功率很小，大部分的信號(hào)能夠繼續(xù)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線向后傳播并進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)了在線式微波相位的檢測(cè)。

有益效果：本發(fā)明是懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器，采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的懸臂梁結(jié)構(gòu)耦合微波信號(hào)，并利用這部分耦合小信號(hào)實(shí)現(xiàn)微波相位的在線式檢測(cè)，而大部分的信號(hào)能夠繼續(xù)在共面波導(dǎo)上傳播并進(jìn)行后續(xù)信號(hào)處理。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器俯視圖；

圖2為圖1懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器的A-A’剖面圖；

圖3為圖1懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器的B-B’剖面圖；

圖中包括：高阻硅襯底1，共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2和地線3，懸臂梁結(jié)構(gòu)1的懸臂梁4和錨區(qū)5，懸臂梁結(jié)構(gòu)2的懸臂梁6和錨區(qū)7，絕緣介質(zhì)層8，間接熱電式微波功率傳感器1的金屬熱偶臂9、半導(dǎo)體熱偶臂10、歐姆接觸區(qū)11、終端電阻12、直流輸出塊13和共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線14，T形結(jié)的第一空氣橋15、第二空氣橋16、第三空氣橋17、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線18、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線19和第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線20，間接熱電式微波功率傳感器2的金屬熱偶臂21、半導(dǎo)體熱偶臂22、歐姆接觸區(qū)23、終端電阻24和直流輸出塊25，SiO₂層26。在高阻硅襯底1上制備一次SiO₂層26，在SiO₂層26上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、兩個(gè)關(guān)于共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線對(duì)稱(chēng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2、T形結(jié)以及間接熱電式微波功率傳感器1和間接熱電式微波功率傳感器2。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器制作在高阻硅襯底1上，在高阻硅襯底上制備有一層SiO₂層26，在SiO₂層26上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、兩個(gè)關(guān)于共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線對(duì)稱(chēng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2、T形結(jié)以及間接熱電式微波功率傳感器1和間接熱電式微波功率傳感器2。共面波導(dǎo)傳輸線作為本發(fā)明相位檢測(cè)器的信號(hào)傳輸線，用于待測(cè)微波信號(hào)的傳輸，共面波導(dǎo)傳輸線由共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2和地線3構(gòu)成，懸臂梁結(jié)構(gòu)1由懸臂梁結(jié)構(gòu)1的懸臂梁4和錨區(qū)5構(gòu)成，懸臂梁結(jié)構(gòu)2由懸臂梁結(jié)構(gòu)2的懸臂梁6和錨區(qū)7構(gòu)成，懸于共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2上的絕緣介質(zhì)層7上方。懸臂梁結(jié)構(gòu)1,錨區(qū)5通過(guò)間接熱電式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線14連接間接熱電式微波功率傳感器1，懸臂梁結(jié)構(gòu)2的錨區(qū)7通過(guò)T形結(jié)的第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線18連接T形結(jié)的一個(gè)輸入端口，另一個(gè)輸入端口通過(guò)T形結(jié)的第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線19連接到參考信號(hào)輸入端口，T形結(jié)的輸出端通過(guò)T形結(jié)的第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線20連接間接熱電式微波功率傳感器2。

T型結(jié)包括第一空氣橋15、第二空氣橋16、第三空氣橋17、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線18、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線19和第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線20，為三端口器件，可用于功率合成，無(wú)需隔離電阻，其中第一空氣橋15、第二空氣橋16和第三空氣橋17用于共面波導(dǎo)傳輸線的地線3之間的互連，為了方便這三個(gè)空氣橋的釋放，在其上制作了一組小孔陣列。

間接熱電式微波功率傳感器包括金屬熱偶臂9、半導(dǎo)體熱偶臂10、歐姆接觸區(qū)11、終端電阻12、直流輸出塊13和共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線14；間接熱電式微波功率傳感器2包括金屬熱偶臂21、半導(dǎo)體熱偶臂22、歐姆接觸區(qū)23、終端電阻24和直流輸出塊25構(gòu)成。間接熱電式微波功率傳感器基于塞貝克原理檢測(cè)微波信號(hào)的功率大小，并以一直流電壓的形式輸出檢測(cè)結(jié)果。

本發(fā)明的懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器的具體實(shí)施方案如下：

如圖1，包括高阻硅襯底1，共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2和地線3，懸臂梁結(jié)構(gòu)1的懸臂梁4和錨區(qū)5，懸臂梁結(jié)構(gòu)2的懸臂梁6和錨區(qū)7，絕緣介質(zhì)層8，間接熱電式微波功率傳感器1的金屬熱偶臂9、半導(dǎo)體熱偶臂10、歐姆接觸區(qū)11、終端電阻12、直流輸出塊13和共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線14，T形結(jié)的第一空氣橋15、第二空氣橋16、第三空氣橋17、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線18、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線19和第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線20，間接熱電式微波功率傳感器2的金屬熱偶臂21、半導(dǎo)體熱偶臂22、歐姆接觸區(qū)23、終端電阻24和直流輸出塊25，SiO2層26。

懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)位于共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線2上的絕緣介質(zhì)層8的上方。當(dāng)待測(cè)微波信號(hào)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線時(shí)，懸臂梁結(jié)構(gòu)1和懸臂梁結(jié)構(gòu)2耦合出部分微波信號(hào)，并且分別由懸臂梁結(jié)構(gòu)1的錨區(qū)5和懸臂梁結(jié)構(gòu)2的錨區(qū)7輸出。懸臂梁結(jié)構(gòu)1的錨區(qū)5通過(guò)間接熱電式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線14將耦合微波信號(hào)輸向間接熱電式微波功率傳感器1，并檢測(cè)出其功率P₁；懸臂梁結(jié)構(gòu)2的錨區(qū)7通過(guò)T形結(jié)的第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線18將耦合微波信號(hào)輸向T形結(jié)的一個(gè)輸入端，其通過(guò)T形結(jié)與功率為P₂的參考信號(hào)矢量合成，合成后的信號(hào)功率為P₃。記待測(cè)微波信號(hào)和參考信號(hào)的相位

差為則經(jīng)T形結(jié)輸出的合成信號(hào)的功率與相位差存在余弦函數(shù)關(guān)系：

基于公式(1)最終可以推導(dǎo)出:

同時(shí)，由于懸臂梁結(jié)構(gòu)耦合出來(lái)的信號(hào)功率很小，大部分的信號(hào)能夠繼續(xù)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線向后傳播并進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，從而實(shí)現(xiàn)了在線式微波相位的檢測(cè)。

本發(fā)明的懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器的制備方法為：

1)準(zhǔn)備4英寸高阻Si襯底，電阻率為4000Ω·cm，厚度為400mm；

2)熱生長(zhǎng)一層厚度為1.2mm的SiO₂層；

3)化學(xué)氣相淀積(CVD)生長(zhǎng)一層多晶硅，厚度為0.4mm；

4)光刻并隔離外延的N⁺高阻硅，形成熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂的圖形和歐姆接觸區(qū)；

5)反刻N(yùn)⁺高阻硅，形成其摻雜濃度為10¹⁷cm^-3的熱電堆的半導(dǎo)體熱偶臂；

6)光刻：去除將要保留金鍺鎳/金地方的光刻膠；

7)剝離，形成熱電堆的金屬熱偶臂；

8)光刻：去除將要保留氮化鉭地方的光刻膠；

9)濺射氮化鉭，其厚度為1μm；

10)剝離涂覆一層光刻膠，光刻去除共面波導(dǎo)傳輸線、熱電堆金屬互連線以及輸出電極處的光刻膠；

11)電子束蒸發(fā)(EBE)形成第一層金(Au)，厚度為0.3mm，去除光刻膠以及光刻膠上的Au，剝離形成傳輸線的第一層Au、熱電堆金屬互連線以及輸出電極；

12)淀積(LPCVD)一層Si₃N₄，厚度為0.1mm；

13)涂覆一層光刻膠，光刻并保留空氣橋和懸臂梁下方的光刻膠，干法刻蝕Si₃N₄，形成Si₃N₄介質(zhì)層；

14)均勻涂覆一層聚酰亞胺并光刻圖形，厚度為2mm，保留空氣橋和懸臂梁下方的聚酰亞胺作為犧牲層；

15)涂覆光刻膠，光刻去除空氣橋、懸臂梁、懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)、共面波導(dǎo)傳輸線以及輸出電極位置的光刻膠；

16)蒸發(fā)500/1500/300A°的Ti/Au/Ti的種子層，去除頂部的Ti層后再電鍍一層厚度為2mm的Au層；

17)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成空氣橋、懸臂梁、懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)、共面波導(dǎo)傳輸線以及輸出電極；

18)深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作熱電堆下方的薄膜結(jié)構(gòu)；

19)釋放聚酰亞胺犧牲層：顯影液浸泡，去除空氣橋和懸臂梁下的聚酰亞胺犧牲層，去離子水稍稍浸泡，無(wú)水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干。

區(qū)別是否為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)如下：

本發(fā)明的懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器采用兩個(gè)完全對(duì)稱(chēng)的懸臂梁結(jié)構(gòu)耦合微波信號(hào)，具有兩個(gè)間接熱電式微波功率傳感器和T形結(jié)。當(dāng)待測(cè)微波信號(hào)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線時(shí)，懸臂梁結(jié)構(gòu)耦合出小部分微波信號(hào)，并且分別由懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)輸出。上側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線將耦合微波信號(hào)輸向間接熱電式微波功率傳感器；下側(cè)懸臂梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線的信號(hào)線將耦合微波信號(hào)輸向T形結(jié)，其通過(guò)T形結(jié)與參考信號(hào)矢量合成。合成信號(hào)的功率與微波信號(hào)間的相位差存在余弦函數(shù)關(guān)系，最終利用矢量合成原理來(lái)實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)相位的在線式檢測(cè)。

滿(mǎn)足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的懸臂梁T形結(jié)在線式微波相位檢測(cè)器。