本發(fā)明提出了硅基已知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(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)：

信號(hào)的檢測(cè)一直是信息科學(xué)技術(shù)中非常重要的一門(mén)技術(shù)，多年以來(lái)，人們對(duì)信號(hào)的檢測(cè)和處理技術(shù)也在得到不斷的發(fā)展與完善，經(jīng)過(guò)不斷的研究，可以確定一個(gè)信號(hào)的三大要素為頻率、功率和相位，因此簡(jiǎn)單地說(shuō)，對(duì)信號(hào)的檢測(cè)也就是對(duì)信號(hào)這三大要素的檢測(cè)。相位檢測(cè)器是信號(hào)檢測(cè)中最為重要的一部分，在軍事、通信以及航空航天領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用價(jià)值，現(xiàn)有的相位檢測(cè)器一般工作頻率都較低，無(wú)法對(duì)很高頻率的信號(hào)進(jìn)行相位檢測(cè)，而且它們的結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，集成度不高，隨著信號(hào)頻率的不斷提高，毫米波信號(hào)的檢測(cè)也日益成為人們研究的重點(diǎn)，毫米波是一種介于微波和遠(yuǎn)紅外波交疊區(qū)域的電磁波，原有的相位檢測(cè)器已經(jīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米波信號(hào)的有效檢測(cè)了。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)毫米波信號(hào)的有效檢測(cè)，在共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及直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(jì)了一種在已知頻率下的毫米波在線(xiàn)相位檢測(cè)器，它利用共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)縫隙耦合結(jié)構(gòu)對(duì)毫米波的相位實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)式的檢測(cè)，大大地節(jié)約了版圖，同時(shí)還提高了檢測(cè)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是提供一種硅基已知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器，本發(fā)明采用了共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)縫隙耦合結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)毫米波進(jìn)行相位檢測(cè)，在功率分配和功率合成方面則采用了Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結(jié)構(gòu)，在合成信號(hào)的功率測(cè)量方面則采用了直接式熱電式功率傳感器，實(shí)現(xiàn)了毫米波的在線(xiàn)相位檢測(cè)。

技術(shù)方案：本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器是由共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)、一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、移相器、一個(gè)Wilkinson功分器、二個(gè)Wilkinson功合器以及四個(gè)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(hào)輸入端，一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)和二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)位于共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)上側(cè)地線(xiàn)，三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)和四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)則位于共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)下側(cè)地線(xiàn)，這兩對(duì)縫隙關(guān)于中心信號(hào)線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，它們之間由一個(gè)移相器隔開(kāi)，一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第二端口，第二端口與一號(hào)間接式熱電式功率傳感器相連，同樣的，二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)連接到第三端口，第三端口與二號(hào)間接式熱電式功率傳感器連接；再看相位檢測(cè)模塊，三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第四端口相連，第四端口連接到一號(hào)Wilkinson功合器，四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)與第五端口相連，第五端口連接到二號(hào)Wilkinson功合器，參考信號(hào)通過(guò)三號(hào)Wilkinson功分器的輸入端輸入，三號(hào)Wilkinson功分器的輸出端分別連接到一號(hào)Wilkinson功合器和二號(hào)Wilkinson功合器，然后，一號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接三號(hào)間接式熱電式功率傳感器，二號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接四號(hào)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。

對(duì)于相位檢測(cè)模塊，它主要由兩個(gè)縫隙耦合結(jié)構(gòu)、一段移相器、兩個(gè)Wilkinson功合器、一個(gè)Wilkinson功分器以及兩個(gè)直接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成，毫米波信號(hào)首先經(jīng)過(guò)第一個(gè)縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出小部分的信號(hào)P₃，然后經(jīng)過(guò)一段移相器之后再由另一個(gè)縫隙耦合結(jié)構(gòu)耦合出部分的信號(hào)P₄，由于縫隙尺寸相同，所以P₃＝P₁、P₄＝P₂，這兩個(gè)耦合信號(hào)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(shí)際上這段移相器就是一段共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)，它的長(zhǎng)度設(shè)置為以中心頻率f₀為35GHz處波長(zhǎng)的1/4，此時(shí)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(hào)的頻率，c為光速，ε_er為傳輸線(xiàn)的相對(duì)介電常數(shù)，ΔL為移相器的長(zhǎng)度，對(duì)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(hào)P_c經(jīng)過(guò)Wilkinson功分器分解成左右兩路一模一樣的信號(hào)，左邊一路信號(hào)與第一個(gè)縫隙耦合信號(hào)進(jìn)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(hào)與第二個(gè)縫隙耦合信號(hào)進(jìn)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(gè)關(guān)系式，只要測(cè)得左右兩路合成信號(hào)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，這種簡(jiǎn)便的縫隙耦合結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒃驹诠裁娌▽?dǎo)傳輸線(xiàn)中傳播的電磁場(chǎng)能量耦合出小部分，利用這耦合出的小信號(hào)來(lái)檢測(cè)原毫米波信號(hào)的頻率和相位大小，同時(shí)由于耦合出的信號(hào)能量非常小，因此幾乎對(duì)原毫米波信號(hào)影響不大，原毫米波信號(hào)可以繼續(xù)向后傳播，實(shí)現(xiàn)了已知頻率下毫米波信號(hào)的在線(xiàn)式相位檢測(cè)，大大提高了信號(hào)檢測(cè)器的效率和集成度，具有較高的潛在應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

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

圖2為本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器中Wilkinson功分器和Wilkinson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直接式毫米波相位檢測(cè)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直接式毫米波相位檢測(cè)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直接式毫米波相位檢測(cè)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(cè)模塊1，共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)2，移相器3，縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-1，縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-2，縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-3，縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-4，隔離電阻5，金屬臂6，P型半導(dǎo)體臂7，歐姆接觸8，熱端9，冷端10，隔直電容11，輸出電極12，隔直電容下極板13，Si₃N₄介質(zhì)層14，隔直電容上極板15，非對(duì)稱(chēng)共面帶線(xiàn)16，空氣橋17，高阻Si襯底18，SiO₂層19，襯底膜結(jié)構(gòu)20，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(shí)施方案

本發(fā)明的硅基已知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器是基于高阻Si襯底18制作的，是由共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)2、一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-1、二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-2、三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-3、四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-4、移相器3、一個(gè)Wilkinson功分器、二個(gè)Wilkinson功合器以及四個(gè)間接式熱電式功率傳感器所構(gòu)成。

Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結(jié)構(gòu)是相同的，主要由共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)2、非對(duì)稱(chēng)共面帶線(xiàn)16和電阻5構(gòu)成，其中兩條長(zhǎng)度相同的非對(duì)稱(chēng)共面帶線(xiàn)16能夠?qū)⒐裁娌▽?dǎo)傳輸線(xiàn)2上的毫米波信號(hào)分為相等的兩部分，而電阻5位于兩條非對(duì)稱(chēng)共面帶線(xiàn)16的末端。

采用直接式熱電式功率傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，它主要由共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)2、金屬臂6、P型半導(dǎo)體臂7以及一個(gè)隔直電容11構(gòu)成，其中金屬臂6和P型半導(dǎo)體臂7構(gòu)成的兩個(gè)熱電偶是并聯(lián)連接的，而共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)2直接與這兩個(gè)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(hào)輸入端，一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-1和二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-2位于共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)2上側(cè)地線(xiàn)，三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-3和四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-4則位于共面波導(dǎo)傳輸線(xiàn)2下側(cè)地線(xiàn)，這兩對(duì)縫隙關(guān)于中心信號(hào)線(xiàn)對(duì)稱(chēng)，它們之間由一個(gè)移相器3隔開(kāi)，一號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-1連接到第二端口1-2，第二端口1-2與一號(hào)間接式熱電式功率傳感器相連，同樣的，二號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-2連接到第三端口1-3，第三端口1-3與二號(hào)間接式熱電式功率傳感器連接；再看相位檢測(cè)模塊1，三號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-3與第四端口1-4相連，第四端口1-4連接到一號(hào)Wilkinson功合器，四號(hào)縫隙耦合結(jié)構(gòu)4-4與第五端口1-5相連，第五端口1-5連接到二號(hào)Wilkinson功合器，參考信號(hào)通過(guò)三號(hào)Wilkinson功分器的輸入端輸入，三號(hào)Wilkinson功分器的輸出端分別連接到一號(hào)Wilkinson功合器和二號(hào)Wilkinson功合器，然后，一號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接三號(hào)間接式熱電式功率傳感器，二號(hào)Wilkinson功合器的輸出端連接四號(hào)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)明的硅基已知頻率縫隙耦合式直接式毫米波相位檢測(cè)器的制備方法為：

1)準(zhǔn)備高阻Si襯底18(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長(zhǎng)一層SiO₂層19，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(dá)到制作Wilkinson功分器的隔離電阻5和熱電偶金屬臂6的電阻率要求。

4)利用掩模版對(duì)要制作熱電偶P型半導(dǎo)體臂7的地方再次進(jìn)行P型離子注入，達(dá)到P型半導(dǎo)體臂7的電阻率要求；

5)涂覆光刻膠，對(duì)多晶硅層進(jìn)行光刻，最終形成隔離電阻5、熱電偶的金屬臂6和半導(dǎo)體臂7；

6)在熱電偶的金屬臂6和半導(dǎo)體臂7連接處制作歐姆接觸8；

7)在襯底上涂覆光刻膠，去除傳輸線(xiàn)、隔直電容11和輸出電極12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(guò)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(xiàn)、隔直電容的下極板13和輸出電極12；

8)在前面步驟處理得到的Si襯底上，通過(guò)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11和空氣橋17位置處的Si₃N₄介質(zhì)層14；

9)淀積一層1.6μm厚的聚酰亞胺犧牲層，要求填滿(mǎn)所有凹坑；光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留空氣橋17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(xiàn)、隔直電容11、輸出電極12以及空氣橋17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(xiàn)、隔直電容的上極板15、輸出電極12以及空氣橋17；

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)20地方的光刻膠，在熱電偶中間區(qū)域即熱端9下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結(jié)構(gòu)20，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17下方的聚酰亞胺犧牲層；最后，在去離子水中浸泡5分鐘，無(wú)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(xiàn)中傳播的電磁場(chǎng)能量耦合出一部分，從而利用這耦合出的部分小信號(hào)來(lái)檢測(cè)原毫米波信號(hào)的相位大小，從而實(shí)現(xiàn)了已知頻率下的毫米波相位檢測(cè)；功率分配器和功率合成器采用Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)功率的平分或合成；至于對(duì)合成信號(hào)的檢測(cè)，則采用直接式熱電式功率傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換。這些結(jié)構(gòu)不僅簡(jiǎn)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(hào)的檢測(cè)效率，同時(shí)由于耦合出的信號(hào)能量和原信號(hào)相比非常小，因此幾乎對(duì)原毫米波信號(hào)影響不大，原毫米波信號(hào)可以繼續(xù)向后傳播進(jìn)行后續(xù)的電路處理。

滿(mǎn)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直接式毫米波相位檢測(cè)器。