矽基已知頻率縫隙耦合式間接式毫米波相位檢測器的製作方法

2023-09-17 01:30:02

本發明提出了矽基已知頻率縫隙耦合式間接式毫米波相位檢測器，屬於微電子機械系統(MEMS)的技術領域。

背景技術：

隨著信息技術的不斷發展，信號的檢測技術也跟隨著時代的步伐不斷前進著，眾所周知，一個信號擁有基本的三大要素分別為頻率、相位和功率，對信號的這三大要素的檢測是信號檢測技術的重中之重，多年以來，人們對低頻信號的測量技術已經非常成熟了，但是隨著信號頻率的增加，高頻信號的測量技術也在經歷著不斷的發展和完善。毫米波信號是一種位於微波信號和光信號之間的高頻率信號，對於一個已知頻率的毫米波信號，對該信號的相位檢測是一項非常重要的技術，這種毫米波相位測量技術在在軍事、航天航空以及通信領域都有著非常廣泛的潛在應用價值。現有的一些相位檢測器不僅結構複雜、成本較高，而且大多無法進行在線式的測量，集成度不高，效率偏低，已經無法滿足日異月新的信息科技時代。

隨著對共面波導縫隙耦合結構、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及間接式熱電式功率傳感器的深入研究，為了解決上述相位檢測器的問題，本發明在高阻Si襯底上設計了一種在已知頻率下的毫米波在線相位檢測器，它利用了新穎的共面波導縫隙耦合技術來實現相位測量，大大提高了集成度，並且結構簡單，能夠實現在線式的測量，效率較高。

技術實現要素：

技術問題：本發明的目的是提供一種矽基已知頻率縫隙耦合式間接式毫米波相位檢測器，本發明採用了共面波導縫隙耦合結構來進行相位檢測，在功率分配和功率合成方面則採用了Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結構，在合成信號的功率測量方面則採用了間接式熱電式功率傳感器，從而實現了毫米波的在線相位檢測。

技術方案：本發明的矽基已知頻率縫隙耦合式間接式毫米波相位檢測器主要是由共面波導、一號縫隙耦合結構、二號縫隙耦合結構、三號縫隙耦合結構、四號縫隙耦合結構、移相器、一個Wilkinson功分器、二個Wilkinson功合器以及四個間接式熱電式功率傳感器所構成，具體結構的連接關係如下：第一埠是信號輸入端，一號縫隙耦合結構和二號縫隙耦合結構位於共面波導上側地線，三號縫隙耦合結構和四號縫隙耦合結構則位於共面波導下側地線，這兩對縫隙關於中心信號線對稱，它們之間由一個移相器隔開，一號縫隙耦合結構連接到第二埠，第二埠與一號間接式熱電式功率傳感器相連，同樣的，二號縫隙耦合結構連接到第三埠，第三埠與二號間接式熱電式功率傳感器連接；再看相位檢測模塊，三號縫隙耦合結構與第四埠相連，第四埠連接到一號Wilkinson功合器，四號縫隙耦合結構與第五埠相連，第五埠連接到二號Wilkinson功合器，參考信號通過三號Wilkinson功分器的輸入端輸入，三號Wilkinson功分器的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和二號Wilkinson功合器，然後，一號Wilkinson功合器的輸出端連接三號間接式熱電式功率傳感器，二號Wilkinson功合器的輸出端連接四號間接式熱電式功率傳感器，第六埠處連接著後續處理電路。

對於相位檢測模塊，它主要由兩個縫隙耦合結構、一段移相器、兩個Wilkinson功合器、一個Wilkinson功分器以及兩個間接式熱電式功率傳感器所構成，毫米波信號首先經過第一個縫隙耦合結構耦合出小部分的信號P3，然後經過一段移相器之後再由另一個縫隙耦合結構耦合出部分的信號P4，由於縫隙尺寸相同，所以P3＝P1、P4＝P2，且這兩個耦合信號的初始相位都為Φ，並且它們之間產生了一定的相位差實際上這段移相器就是一段共面波導傳輸線，它的長度設置為以中心頻率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：

其中f為毫米波信號的頻率，c為光速，εer為傳輸線的相對介電常數，ΔL為移相器的長度。對於已知的頻率f，根據函數關係式就能得到相位差的大小，已知頻率的參考信號Pc經過Wilkinson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PL，它是關於相位Φ的三角函數關係；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PR，它是關於相位的三角函數關係：

結合這兩個關係式，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後關係。

有益效果：在本發明中，在毫米波頻率已知的情況下，採用了簡單新穎的縫隙耦合結構來進行相位檢測，這種結構能將小部分的毫米波信號耦合出來，並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在共面波導上傳播並進行後續信號處理，其中功分器和功合器採用的Wilkinson功分器和Wilkinson功合器結構，功率檢測器則採用了間接式熱電式功率傳感器，完美地實現了已知頻率下的毫米波在線相位測量，大大的提高了信號檢測的效率。

附圖說明

圖1為本發明的矽基已知頻率縫隙耦合式間接式毫米波相位檢測器的俯視圖

圖2為本發明的矽基已知頻率縫隙耦合式間接式毫米波相位檢測器中Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的俯視圖

圖3為本發明的矽基已知頻率縫隙耦合式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4為本發明的矽基已知頻率縫隙耦合式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：相位檢測模塊1，共面波導2，移相器3，縫隙耦合結構4-1，縫隙耦合結構4-2，縫隙耦合結構4-3，縫隙耦合結構4-4，電阻5，熱電堆6，P型半導體臂7，N型半導體臂8，歐姆接觸9，輸出電極10，高阻Si襯底11，SiO2層12，非對稱共面帶線13，空氣橋14，襯底膜結構15，熱端16，冷端17，第一埠1-1，第二埠1-2，第三埠1-3，第四埠1-4，第五埠1-5，第六埠1-6。

具體實施方案

本發明的矽基已知頻率縫隙耦合式間接式毫米波相位檢測器是基於高阻Si襯底11製作的，是由共面波導2、一號縫隙耦合結構4-1、二號縫隙耦合結構4-2、三號縫隙耦合結構4-3、四號縫隙耦合結構4-4、移相器3、一個Wilkinson功分器、二個Wilkinson功合器以及四個間接式熱電式功率傳感器所構成。

Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結構是相同的，主要由共面波導2、非對稱共面帶線13和電阻5構成，其中兩條長度相同的非對稱共面帶線13能夠將共面波導2上的毫米波信號分為相等的兩部分，而電阻5位於兩條非對稱共面帶線13的末端。

採用間接式熱電式功率傳感器來實現熱電轉換，它主要由共面波導2、兩個電阻5以及熱電堆6所構成，而熱電堆6又是由P型半導體臂7和N型半導體臂8通過歐姆接觸9級聯組成，其中共面波導2與兩個電阻5相連，而熱電堆6與終端電阻5之間有一段間隔。

具體結構的連接關係如下：第一埠1-1是信號輸入端，一號縫隙耦合結構4-1和二號縫隙耦合結構4-2位於共面波導2上側地線，三號縫隙耦合結構4-3和四號縫隙耦合結構4-4則位於共面波導2下側地線，這兩對縫隙關於中心信號線對稱，它們之間由一個移相器3隔開，一號縫隙耦合結構4-1連接到第二埠1-2，第二埠1-2與一號間接式熱電式功率傳感器相連，同樣的，二號縫隙耦合結構4-2連接到第三埠1-3，第三埠1-3與二號間接式熱電式功率傳感器連接；再看相位檢測模塊1，三號縫隙耦合結構4-3與第四埠1-4相連，第四埠1-4連接到一號Wilkinson功合器，四號縫隙耦合結構4-4與第五埠1-5相連，第五埠1-5連接到二號Wilkinson功合器，參考信號通過三號Wilkinson功分器的輸入端輸入，三號Wilkinson功分器的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和二號Wilkinson功合器，然後，一號Wilkinson功合器的輸出端連接三號間接式熱電式功率傳感器，二號Wilkinson功合器的輸出端連接四號間接式熱電式功率傳感器，第六埠1-6處連接著後續處理電路。

本發明的矽基已知頻率縫隙耦合式間接式毫米波相位檢測器的製備方法為：

1)準備高阻Si襯底11(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長一層SiO2層12，厚度為1.2um；

3)澱積一層多晶矽，P型離子注入(摻雜濃度為1015cm-2)，以達到製作電阻5的要求。

4)利用掩模版1對要製作熱電堆半P型導體臂7的地方再次進行P型離子注入，達到P型半導體臂7的電阻率要求；

5)利用掩模版2對要製作熱電堆N型半導體臂8的地方進行N型離子注入，達到N型半導體臂8的電阻率要求；

6)塗覆光刻膠，對多晶矽層進行光刻，最終形成電阻5、熱電堆6的P型半導體臂7和N型半導體臂8；

7)在熱電堆的P型半導體臂7和N型半導體臂8連接處製作歐姆接觸9；

8)在襯底上塗覆光刻膠，去除傳輸線和輸出電極10處的光刻膠，蒸發一層種子層Ti，厚度為然後製備第一層金，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，初步形成傳輸線和輸出電極10；

9)在前面步驟處理得到的高阻Si襯底11上，通過PECVD生成一層厚的Si3N4介質層，光刻Si3N4介質層，僅保留空氣橋14位置下方的Si3N4介質層；

10)澱積一層1.6μm厚的聚醯亞胺犧牲層，要求填滿所有凹坑；光刻聚醯亞胺犧牲層，僅保留空氣橋14下方的聚醯亞胺犧牲層；

11)塗覆光刻膠，去除預備製作傳輸線、輸出電極10以及空氣橋14處的光刻膠，蒸發一層種子層Ti，厚度為製備第二層金，厚度為2um，最後，去除保留的光刻膠，形成傳輸線、輸出電極10以及空氣橋14；

12)在襯底的背面塗覆光刻膠，去除預備在襯底背面形成薄膜結構15處的光刻膠，在終端負載電阻5和熱電堆6熱端下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結構15，保留約為40μm厚的膜結構；

13)釋放聚醯亞胺犧牲層，以去除空氣橋14下方的聚醯亞胺犧牲層；最後，在去離子水中浸泡5分鐘，無水乙醇脫水，常溫下揮發，晾乾。

本發明的不同之處在於：

本發明採用了新穎的縫隙耦合結構，這種縫隙耦合結構能夠將在共面波導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相位大小，從而實現了已知頻率下的毫米波相位檢測；功率分配器和功率合成器都採用Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結構來實現功率的平分或合成；至於對合成信號的檢測，則採用間接式熱電式功率傳感器來實現熱電轉換。另外由於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在共面波導上傳播並進行後續的電路處理。

滿足以上條件的結構即視為本發明的矽基已知頻率縫隙耦合式間接式毫米波相位檢測器。