本發(fā)明提出了T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代社會中，隨著雷達技術(shù)的發(fā)展，特別是在相控陣雷達、相控陣天線及加速器等較新技術(shù)出現(xiàn)以后，相移量的測量顯得日趨重要?，F(xiàn)有的相位檢測方法有以下幾種：利用二極管檢波，利用乘法器結(jié)構(gòu)和利用矢量運算法實現(xiàn)相位檢測，以上方法的缺點是都需要相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代個人通信系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)要求微波相位檢測器具有簡單的結(jié)構(gòu)，小的體積以及小的功耗。MEMS系統(tǒng)具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點。本發(fā)明的目的正是要提出一種基于技術(shù)的在線式微波信號相位檢測器的實現(xiàn)方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提出一種T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器，本發(fā)明在微波信號耦合方面采用固支梁耦合微波信號，在微波信號的功率檢測方面采用直接加熱式微波功率傳感器，在微波相位檢測方面采用矢量合成法，從而實現(xiàn)了在線式微波相位的檢測。

本發(fā)明的技術(shù)方案：T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器，在高阻硅襯底上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁結(jié)構(gòu)、T形結(jié)以及兩個直接加熱式微波功率傳感器，共面波導(dǎo)傳輸線由共面波導(dǎo)傳輸線的信號線和地線構(gòu)成，固支梁結(jié)構(gòu)包括固支梁和兩側(cè)的兩個錨區(qū)，待測微波信號通過共面波導(dǎo)傳輸線，固支梁結(jié)構(gòu)懸于共面波導(dǎo)傳輸線的信號線上的絕緣介質(zhì)層上方，固支梁結(jié)構(gòu)的上側(cè)錨區(qū)通過直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號線連接直接加熱式微波功率傳感器1，下側(cè)錨區(qū)通過T形結(jié)的第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線連接T形結(jié)的一個輸入端口，另一個輸入端口通過T形結(jié)的第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線連接到參考信號輸入端口，T形結(jié)的輸出端通過T形結(jié)的第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線連接直接加熱式微波功率傳感器2。

T形結(jié)由共面波導(dǎo)傳輸線的信號線、地線以及空氣橋構(gòu)成，為三端口器件，可用于功率合成，無需隔離電阻，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。

直接加熱式微波功率傳感器由半導(dǎo)體熱偶臂、終端電阻、直流輸出塊、隔絕直流電容、共面波導(dǎo)傳輸線的信號線構(gòu)成，其作用是基于塞貝克效應(yīng)對微波功率的大小進行檢測，并以直流電壓的形式輸出檢測結(jié)果。

本發(fā)明提供了一種T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器，位于共面波導(dǎo)傳輸線上方的固支梁在線耦合出部分微波信號，固支梁結(jié)構(gòu)的上端錨區(qū)連接直接加熱式微波功率傳感器檢測功率大小，下端錨區(qū)將耦合信號輸入T形結(jié)與參考信號進行矢量合成。根據(jù)直接加熱式微波功率傳感器直流輸出電壓的大小，推斷出待測信號的相位。本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器，不但具有易于測量的優(yōu)點，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對微波信號相位的在線式檢測，易于集成以及與高阻硅單片微波集成電路兼容的優(yōu)點。

同時，由于固支梁耦合出來的信號功率很小，大部分的信號能夠繼續(xù)通過共面波導(dǎo)傳輸線向后傳播并進行后續(xù)的信號處理，從而實現(xiàn)了在線式微波相位的檢測。

有益效果：本發(fā)明是T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器，采用了結(jié)構(gòu)簡單的固支梁耦合微波信號，并利用這部分耦合小信號實現(xiàn)微波相位的在線式檢測，而大部分的信號能夠繼續(xù)在共面波導(dǎo)上傳播并進行后續(xù)信號處理。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器俯視圖；

圖2為圖1 T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器的A-A’剖面圖；

圖3為圖1 T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器的B-B’剖面圖；

圖中包括：高阻硅襯底1，共面波導(dǎo)傳輸線的信號線2和地線3，固支梁結(jié)構(gòu)的固支梁4，第一錨區(qū)5和第二錨區(qū)6，絕緣介質(zhì)層7，直接加熱式微波功率傳感器1的半導(dǎo)體熱偶臂8、終端電阻9、直流輸出塊10、隔絕直流電容11和共面波導(dǎo)傳輸線的信號線12，T形結(jié)的第一空氣橋13、第二空氣橋14、第三空氣橋15、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線16、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線17和第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線18，直接加熱式微波功率傳感器2的半導(dǎo)體熱偶臂19、終端電阻20、直流輸出塊21和隔絕直流電容22，SiO₂層23。在高阻硅襯底1上制備一次SiO₂層23，在SiO₂層23上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁結(jié)構(gòu)、T形結(jié)以及直接加熱式微波功率傳感器1和直接加熱式微波功率傳感器2。

具體實施方式

本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測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23，在SiO₂層23上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁結(jié)構(gòu)、T形結(jié)以及直接加熱式微波功率傳感器1和直接加熱式微波功率傳感器2。共面波導(dǎo)傳輸線作為本發(fā)明相位檢測器的信號傳輸線，用于待測微波信號的傳輸，共面波導(dǎo)傳輸線由共面波導(dǎo)傳輸線的信號線2和地線3構(gòu)成。

固支梁結(jié)構(gòu)懸于共面波導(dǎo)傳輸線的信號線2上的絕緣介質(zhì)層7的上方，固支梁結(jié)構(gòu)的第一錨區(qū)5通過直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號線12連接直接加熱式微波功率傳感器1，第二錨區(qū)6通過T形結(jié)的第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線16連接T形結(jié)的一個輸入端口，另一個輸入端口通過T形結(jié)的第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線17連接到參考信號輸入端口，T形結(jié)的輸出端通過T形結(jié)的第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線18連接直接加熱式微波功率傳感器2。

T形結(jié)由第一空氣橋13、第二空氣橋14、第三空氣橋15、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線16、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線17、第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線18構(gòu)成，為三端口器件，可用于功率合成，無需隔離電阻，其中第一空氣橋13、第二空氣橋14、第三空氣橋15用于共面波導(dǎo)傳輸線的地線3之間的互連，同時為了方便這三個空氣橋的釋放，在其上制作了一組小孔陣列。

直接加熱式微波功率傳感器1包括半導(dǎo)體熱偶臂8、終端電阻9、直流輸出塊10、隔絕直流電容11、共面波導(dǎo)傳輸線的信號線12；所述的直接加熱式微波功率傳感器2包括半導(dǎo)體熱偶臂19、終端電阻20、直流輸出塊21、隔絕直流電容22。直接加熱式微波功率傳感器基于塞貝克原理檢測微波信號的功率大小，并以一直流電壓的形式輸出檢測結(jié)果。

本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器的具體實施方案如下：

如圖1，高阻硅襯底1，共面波導(dǎo)傳輸線的信號線2和地線3，固支梁結(jié)構(gòu)的固支梁4，第一錨區(qū)5和第二錨區(qū)6，絕緣介質(zhì)層7，直接加熱式微波功率傳感器1的半導(dǎo)體熱偶臂8、終端電阻9、直流輸出塊10、隔絕直流電容11和共面波導(dǎo)傳輸線的信號線12，T形結(jié)的第一空氣橋13、第二空氣橋14、第三空氣橋15、第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線16、第二共面波導(dǎo)傳輸線的信號線17和第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線18，直接加熱式微波功率傳感器2的半導(dǎo)體熱偶臂19、終端電阻20、直流輸出塊21和隔絕直流電容22，SiO2層23。在高阻硅襯底1上制備一次SiO2層23，在SiO2層23上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、固支梁結(jié)構(gòu)、T形結(jié)以及直接加熱式微波功率傳感器1和直接加熱式微波功率傳感器2。

固支梁結(jié)構(gòu)位于共面波導(dǎo)傳輸線的信號線2上的絕緣介質(zhì)層7的上方。當待測微波信號通過共面波導(dǎo)傳輸線時，固支梁耦合出小部分微波信號，并且分別由固支梁結(jié)構(gòu)的第一錨區(qū)5和第二錨區(qū)6輸出。第一錨區(qū)5通過直接加熱式微波功率傳感器1的共面波導(dǎo)傳輸線的信號線12將耦合微波信號輸向直接加熱式微波功率傳感器，并檢測出其功率P₁；第二錨區(qū)6通過T形結(jié)的第一共面波導(dǎo)傳輸線的信號線16將耦合微波信號輸向T形結(jié)的一個輸入端，其通過T形結(jié)與從待測信號輸入端口輸入的功率為P₂的參考信號矢量合成，合成后的信號通過T形結(jié)的第三共面波導(dǎo)傳輸線的信號線18傳輸向直接加熱式微波功率傳感器2，并檢測得功率為P₃。記待測微波信號和參考信號的相位差為則經(jīng)T形結(jié)輸出的合成信號的功率P₃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，由于固支梁耦合出來的信號功率很小，大部分的信號能夠繼續(xù)通過共面波導(dǎo)傳輸線向后傳播并進行后續(xù)的信號處理，從而實現(xiàn)了在線式微波相位的檢測。

本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器的制備方法為：

1)準備4英寸高阻Si襯底，電阻率為4000Ω·cm，厚度為400mm；

2)熱生長一層厚度為1.2mm的SiO₂層；

3)化學(xué)氣相淀積(CVD)生長一層多晶硅，厚度為0.4mm；

4)涂覆一層光刻膠并光刻，除多晶硅電阻區(qū)域以外，其他區(qū)域被光刻膠保護，并注入磷(P)離子，摻雜濃度為10¹⁵cm^-2，形成終端電阻；

5)涂覆一層光刻膠，光刻多晶硅電阻圖形涂覆一層光刻膠，光刻多晶硅電阻圖形，再通過干法刻蝕形成終端電阻；

6)涂覆一層光刻膠，光刻去除共面波導(dǎo)傳輸線以及輸出電極處的光刻膠；

7)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、隔絕直流電容下極板，以及輸出電極；

8)淀積(LPCVD)一層Si₃N₄，厚度為0.1mm；

9)涂覆一層光刻膠，光刻并保留空氣橋、隔絕直流電容和固支梁下方的光刻膠，干法刻蝕Si₃N₄，形成Si₃N₄介質(zhì)層；

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

11)涂覆光刻膠，光刻去除空氣橋、固支梁、固支梁結(jié)構(gòu)的錨區(qū)、共面波導(dǎo)傳輸線隔絕直流電容以及輸出電極位置的光刻膠；

12)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；

13)去除光刻膠以及光刻膠上的Au，形成空氣橋、固支梁、錨區(qū)、共面波導(dǎo)傳輸線、隔絕直流電容上極板和輸出電極；

14)深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)襯底材料背面，制作半導(dǎo)體熱偶臂下方的薄膜結(jié)構(gòu)；

15)釋放聚酰亞胺犧牲層：顯影液浸泡，去除空氣橋、固支梁下的聚酰亞胺犧牲層，去離子水稍稍浸泡，無水乙醇脫水，常溫下?lián)]發(fā)，晾干。

區(qū)別是否為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的標準如下：

本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器采用固支梁耦合微波信號，具有兩個直接加熱式微波功率傳感器和一個T形結(jié)。當待測微波信號通過共面波導(dǎo)傳輸線時，固支梁耦合出小部分微波信號，并且分別由固支梁結(jié)構(gòu)的兩端錨區(qū)輸出。一端錨區(qū)通過共面波導(dǎo)傳輸線的信號線將耦合微波信號輸向直接加熱式微波功率傳感器；另一端通過共面波導(dǎo)傳輸線的信號線將耦合微波信號輸向T形結(jié)，其通過T形結(jié)與參考信號矢量合成。合成信號的功率與參考信號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實現(xiàn)微波信號相位的在線式檢測。

滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的T形結(jié)固支梁耦合在線式微波相位檢測器。