本發(fā)明提出了硅基未知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間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)：

當(dāng)今時代是信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，信號的檢測與處理一直是人們研究的課題，起初人們只是對低頻段的信號進行研究與處理，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對高頻段的信號也越發(fā)研究的透徹，毫米波信號就是一種位于微波信號與光信號之間的高頻率的信號，它主要有三大參數(shù)：頻率、相位和功率，如今，對毫米波信號三大參數(shù)的測量也日益成為通信領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域等的重要內(nèi)容。其中，毫米波的相位檢測一直是信號檢測中的重要部分，然而在未知頻率下的相位檢測也是一大難題，現(xiàn)有的相位檢測器有的無法測量未知頻率下的相位，有的雖然能夠測量卻也有諸如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大等問題，這些相位檢測器的檢測效率都偏低，已經(jīng)跟不上信息時代飛速發(fā)展的步伐。

針對現(xiàn)有的毫米波相位檢測器的問題，并在共面波導(dǎo)傳輸線縫隙耦合結(jié)構(gòu)、T型結(jié)功分器、T型結(jié)功合器以及間接式熱電式功率傳感器的研究基礎(chǔ)上，本發(fā)明在高阻Si襯底上設(shè)計了一種在未知頻率下的毫米波在線相位檢測器，這種相位檢測器能夠?qū)崿F(xiàn)頻率和相位的一體化測量，不僅使得該相位檢測器的體積大大減小、成本大大降低，而且提高了檢測效率。

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未知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器，為了能夠?qū)崿F(xiàn)未知頻率下的毫米波相位測量，本發(fā)明設(shè)計了兩組縫隙耦合結(jié)構(gòu)，一組耦合結(jié)構(gòu)用來測量其頻率大小，另一組耦合結(jié)構(gòu)用以測量其相位大小，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)功合器結(jié)構(gòu)，在功率檢測方面采用了間接式熱電式功率傳感器，這些結(jié)構(gòu)可以較好的集成在一起。

技術(shù)方案：本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間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、一號單刀雙擲開關(guān)、二號單刀雙擲開關(guān)、一個T型結(jié)功分器、三個T型結(jié)功合器以及五個間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，首先來看頻率檢測模塊，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第二端口，第二端口與一號單刀雙擲開關(guān)的輸入端相連，一號單刀雙擲開關(guān)的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和一號間接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第三端口，第三端口與二號單刀雙擲開關(guān)的輸入端相連，二號單刀雙擲開關(guān)的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和二號間接式熱電式功率傳感器，而一號T型結(jié)功合器的輸出端連接到三號間接式熱電式功率傳感器；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，第四端口連接到二號T型結(jié)功合器，四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第五端口相連，第五端口連接到三號T型結(jié)功合器，參考信號通過四號T型結(jié)功分器的輸入端輸入，四號T型結(jié)功分器的輸出端分別連接到二號T型結(jié)功合器和三號T型結(jié)功合器，然后，二號T型結(jié)功合器的輸出端連接四號間接式熱電式功率傳感器，三號T型結(jié)功合器的輸出端連接五號間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。

首先，對于毫米波的頻率檢測模塊，它主要是由兩個縫隙耦合結(jié)構(gòu)、一段移相器、兩個單刀雙擲開關(guān)、一個T型結(jié)功合器以及一個間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P₁，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P₂，這樣兩個耦合信號之間就產(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，此時相位差就是90°，但是當(dāng)頻率f變化時，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。因此只要測出的值，就能得到頻率f的大小，于是將兩個耦合信號經(jīng)過T型結(jié)功合器進行合成，再用間接式熱電式功率傳感器去檢測合成信號功率P_s的大小，合成信號的功率P_s是關(guān)于相位差的三角函數(shù)關(guān)系：

由于耦合信號P₁、P₂的大小未知，因此這里采用了兩個單刀雙擲開關(guān)將兩個耦合出來的小信號率先進行功率檢測，得到其功率大小，然后再通過T型結(jié)功合器進行功率合成，于是由公式(2)就能計算出頻率f的大小。注意這里的相位差只是兩個耦合小信號之間的相位差，并不是原毫米波信號的相位Φ，還需要通過相位檢測模塊來精確確定原毫米波信號的相位Φ。

對于毫米波的相位檢測模塊，同樣地也是由兩個縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出部分小信號P₃和P₄，由于縫隙尺寸相同，所以它們的功率大小等于之前測得的耦合小信號P₁和P₂，它們的初始相位都為Φ，在經(jīng)過移相器之后，第二個縫隙耦合信號與第一個縫隙耦合信號之間有了相位差參考信號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；

其中P₃＝P₁、P₄＝P₂，結(jié)合這兩個關(guān)系式，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，實現(xiàn)了-180°～+180°的相位檢測。

有益效果：在本發(fā)明中，采用了簡單新穎的縫隙耦合結(jié)構(gòu)，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實現(xiàn)頻率和相位的檢測，而大部分的信號能夠繼續(xù)在共面波導(dǎo)傳輸線傳輸線上傳播，其中功率分配和功率合成采用的是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間接式熱電式功率傳感器，這些結(jié)構(gòu)能非常有效的集成在一起，完美實現(xiàn)了未知頻率下的毫米波相位檢測。

附圖說明

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

圖2為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器中單刀雙擲開關(guān)的俯視圖

圖3為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器中單刀雙擲開關(guān)AA’方向的剖面圖

圖4為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間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5為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器中間接式熱電式功率傳感器的俯視圖

圖6為本發(fā)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器中間接式熱電式功率傳感器的剖面圖

圖中包括：頻率檢測模塊1，相位檢測模塊2，高阻Si襯底3，二氧化硅層4，共面波導(dǎo)傳輸線傳輸線5，移相器6，縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-1，縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-2，縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-3，縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-4，終端電阻8，熱電堆9，P型半導(dǎo)體臂10，N型半導(dǎo)體臂11，歐姆接觸12，輸出電極13，扇形缺陷結(jié)構(gòu)14，空氣橋15，襯底膜結(jié)構(gòu)16，熱端17，冷端18，一號單刀雙擲開關(guān)19，二號單刀雙擲開關(guān)20，開關(guān)梁21，錨區(qū)22，Si₃N₄介質(zhì)層23，開關(guān)下拉電極板24，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)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器是基于高阻Si襯底3制作的，是由共面波導(dǎo)傳輸線5、一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-1、二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-2、三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-3、四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-4、移相器6、一號單刀雙擲開關(guān)19、二號單刀雙擲開關(guān)20、一個T型結(jié)功分器、三個T型結(jié)功合器以及五個間接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成。

單刀雙擲開關(guān)19是由共面波導(dǎo)傳輸線5、錨區(qū)22、Si₃N₄介質(zhì)層23、開關(guān)下拉電極板24和開關(guān)梁21組成的，共面波導(dǎo)傳輸線5連接到錨區(qū)22上，錨區(qū)22與兩條不同支路上的開關(guān)梁21相連接，其中一條支路連接間接式熱電式功率傳感器，另一條支路連接T型結(jié)功合器的輸入端，開關(guān)梁21下方存在著一層空氣間隙，在這個空氣間隙中安置有開關(guān)下拉電極板24，而在開關(guān)下拉電極板24上還覆蓋著一層Si₃N₄介質(zhì)層23。

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5、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)。

采用間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5、兩個電阻8以及熱電堆9所構(gòu)成，而熱電堆9又是由P型半導(dǎo)體臂10和N型半導(dǎo)體臂11通過歐姆接觸12級聯(lián)組成，其中共面波導(dǎo)傳輸線5與兩個電阻8相連，而熱電堆9與終端電阻8之間有一段間隔。

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)7-1和二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-2位于共面波導(dǎo)傳輸線5上側(cè)地線，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-3和四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-4則位于共面波導(dǎo)傳輸線5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6隔開，首先來看頻率檢測模塊1，一號縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-1連接到第二端口1-2，第二端口1-2與一號單刀雙擲開關(guān)19的輸入端相連，一號單刀雙擲開關(guān)19的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和一號間接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-2連接到第三端口1-3，第三端口1-3與二號單刀雙擲開關(guān)20的輸入端相連，二號單刀雙擲開關(guān)20的輸出端分別連接到一號T型結(jié)功合器和二號間接式熱電式功率傳感器，而一號T型結(jié)功合器的輸出端連接到三號間接式熱電式功率傳感器；再看相位檢測模塊2，三號縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-3與第四端口1-4相連，第四端口1-4連接到二號T型結(jié)功合器，四號縫隙耦合結(jié)構(gòu)7-4與第五端口1-5相連，第五端口1-5連接到三號T型結(jié)功合器，參考信號通過四號T型結(jié)功分器的輸入端輸入，四號T型結(jié)功分器的輸出端分別連接到二號T型結(jié)功合器和三號T型結(jié)功合器，然后，二號T型結(jié)功合器的輸出端連接四號間接式熱電式功率傳感器，三號T型結(jié)功合器的輸出端連接五號間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)明的硅基未知頻率縫隙耦合式T型結(jié)間接式毫米波相位檢測器的制備方法為：

1)準(zhǔn)備高阻Si襯底3(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長一層SiO₂層4，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)，以達到制作終端電阻8的要求。

4)利用掩模版1對要制作熱電堆P型半導(dǎo)體臂10的地方再次進行P型離子注入，達到P型半導(dǎo)體臂10的電阻率要求；

5)利用掩模版2對要制作熱電堆N型半導(dǎo)體臂11的地方進行N型離子注入，達到N型半導(dǎo)體臂11的電阻率要求；

6)涂覆光刻膠，對多晶硅層進行光刻，最終形成終端電阻8和熱電堆9的P型半導(dǎo)體臂10和N型半導(dǎo)體臂11；

7)在熱電堆的P型半導(dǎo)體臂10和N型半導(dǎo)體臂11連接處制作歐姆接觸12；

8)在襯底上涂覆光刻膠，去除傳輸線、輸出電極13處和開關(guān)下拉電極板23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、輸出電極13和開關(guān)下拉電極板24；

9)在前面步驟處理得到的Si襯底3上，通過PECVD生成一層厚的Si₃N₄介質(zhì)層，光刻Si₃N₄介質(zhì)層，僅保留空氣橋15和開關(guān)梁21下方的Si₃N₄介質(zhì)層；

10)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和開關(guān)梁21下方的聚酰亞胺犧牲層；

11)涂覆光刻膠，去除預(yù)備制作傳輸線、輸出電極13、空氣橋15和開關(guān)梁20處的光刻膠，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、輸出電極13、空氣橋15和開關(guān)梁21；

12)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)16地方的光刻膠，在終端負(fù)載電阻8和熱電堆9熱端下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結(jié)構(gòu)16，保留約為40μm厚的膜結(jié)構(gòu)；

13)釋放聚酰亞胺犧牲層，以去除空氣橋15和開關(guān)梁21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)⒃诠裁娌▽?dǎo)傳輸線傳輸線中傳播的電磁場能量耦合出一部分，從而利用這耦合出的部分小信號來檢測原毫米波信號的頻率和相位大小，從而實現(xiàn)了未知頻率下的毫米波相位檢測；功率分配器和功率合成器則采用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，則采用間接式熱電式功率傳感器來實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。由于縫隙耦合信號的能量非常小，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，這樣就實現(xiàn)了未知頻率下的毫米波在線相位測量。

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