矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器的製作方法

2023-07-27 02:30:41 2

本發明提出了矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器，屬於微電子機械系統(MEMS)的技術領域。

背景技術：

在如今飛速發展的資訊時代，人們對各頻率段信號的檢測也越來越受到重視，尤其是對於頻率較高的毫米波來說，如何高效和簡便地檢測毫米波信號的各個參數對人們來說也是需要攻克的一項難題。毫米波信號擁有三個重要的參數，分別為頻率、相位和功率，這三個參數的測量技術在軍事、航天航空和微波通信等領域有著非常廣泛的應用，因此在信息技術日益發展的今天，對毫米波頻率、相位和功率的高精度檢測是關係國家經濟發展和科技創新的重要內容。但是現有的頻率檢測器、相位檢測器和功率檢測器不僅結構複雜、成本較高，而且大多不能集成在一起進行統一測量，從而降低了對信號參數檢測的效率，因此傳統的信號檢測儀器已經無法實現對毫米波信號的高效監測了。

針對以上毫米波信號檢測的難題，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，本發明在高阻Si襯底上設計了一種將毫米波頻率、相位和功率檢測集成在一起的信號檢測儀器，並通過模數轉換和液晶顯示環節對測得的微波參量進行顯示輸出，得到一個完整的微波信號檢測儀器，這種利用縫隙耦合結構的信號檢測器結構簡單新穎，而且製作成本較低，具有較高的潛在應用價值。

技術實現要素：

技術問題：本發明的目的是提供一種矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器，在毫米波範圍內，信號的頻率檢測、相位檢測和功率檢測的傳統結構較為複雜，若只是簡單地拼湊集成在一起難度較大，而且效率也較為低下，而本發明就利用共面波導縫隙耦合結構簡便地將毫米波信號的頻率、相位和功率檢測集成在了一起，並通過模數轉換將待測的參量直接顯示在液晶屏幕上，形成一個全面的微波信號檢測儀器。

技術方案：本發明的矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器是由傳感器、模數轉換、MCS51單片機和液晶顯示四個大模塊組成，這四個大模塊又由一些基礎的小模塊和電路構成。

其中傳感器部分是由頻率檢測模塊、相位檢測模塊和功率檢測模塊這三個小模塊構成，它們是由共面波導、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、一號單刀雙擲開關、二號單刀雙擲開關、一個Wilkinson功分器、三個Wilkinson功合器以及六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，首先來看頻率檢測模塊，一號縫隙耦合結構連接到第二埠，第二埠與一號單刀雙擲開關的輸入端相連，一號單刀雙擲開關的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和一號間接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號縫隙耦合結構連接到第三埠，第三埠與二號單刀雙擲開關的輸入端相連，二號單刀雙擲開關的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和二號間接式熱電式功率傳感器，而一號Wilkinson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，三號縫隙耦合結構與第四埠相連，第四埠連接到二號Wilkinson功合器，四號縫隙耦合結構與第五埠相連，第五埠連接到三號Wilkinson功合器，參考信號通過四號Wilkinson功分器的輸入端輸入，四號Wilkinson功分器的輸出端分別連接到二號Wilkinson功合器和三號Wilkinson功合器，然後，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，三號Wilkinson功合器的輸出端連接五號間接式熱電式功率傳感器，最後是功率檢測模塊，在第六埠處連接著六號間接式熱電式功率傳感器

首先，對於毫米波的頻率檢測模塊，它主要是由兩個縫隙耦合結構、一段移相器、兩個單刀雙擲開關、一個Wilkinson功合器以及三個間接式熱電式功率傳感器所構成，毫米波信號P首先經過第一個縫隙耦合結構耦合出小部分的信號P1(對應電壓為V1)，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另一部分的信號P2(對應電壓為V2)，這樣兩個耦合信號之間就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，它的長度設置為以中心頻率f0為35GHz處波長的1/4，此時相位差就是90°，但是當頻率f變化時，相位差是頻率f的函數，可以表示為：

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。從公式中可以看出只要測得的值，就能得到頻率f的大小，於是將兩個耦合信號P1、P2經過Wilkinson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Ps的大小，合成信號的功率Ps(對應電壓為Vs)是關於相位差的三角函數關係:

由於耦合信號P1、P2的大小未知，因此這裡採用了兩個單刀雙擲開關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，然後再通過Wilkinson功合器進行功率合成，於是由公式(2)就能計算出頻率f的大小。注意這裡的相位差只是兩個耦合小信號之間的相位差，並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。

對於毫米波的相位檢測模塊，同樣地也是由兩個縫隙耦合結構耦合出部分小信號P3和P4，由於縫隙尺寸相同，所以它們的功率大小等於之前測得的耦合小信號P1和P2，並且它們的初始相位都為Φ，只是其中第二個縫隙耦合信號多傳播了相位參考信號Pc(對應電壓為Vc)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(對應電壓為VL)，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(對應電壓為VR)，它是關於相位的三角函數關係；

其中P3＝P1、P4＝P2，結合以上兩個關係式，不僅可以得到相位Φ的大小，還可以得到相位的超前或滯後關係，實現了-180°～+180°的相位檢測。

毫米波的功率檢測模塊是用間接式的熱電式功率檢測器來檢測原毫米波信號的功率大小P的，它主要是由共面波導、終端電阻和熱電堆所構成，而熱電堆主要是由兩種不同的半導體臂級聯所組成，這樣終端電阻吸收能量後發出的熱量就會被熱電堆的熱端吸收，根據seebeck效應就能得到熱電勢，需要注意的是，在終端電阻和熱電堆下方會將襯底減薄，這樣熱能就不會從襯底耗散掉，從而提高了熱電轉換效率。原毫米波信號的功率大小P可以由下式表達：

由於間接式熱電式功率檢測器輸出的是模擬電壓，並不是功率大小，因此公式(1)、(2)、(3)中出現的功率P1、P2、P3、P4、PL、PR、PC、PS都需要經過公式(4)將電壓V1、V2、V3、V4、VL、VR、VC、VS進行計算才能得到。由於縫隙耦合信號實際上比原信號小得多，因此絕大部分的信號還是能繼續傳播並被間接式熱電式功率傳感器接收，信號的利用率大大提高了。

第二個大模塊是模數轉換部分，它的主要作用是將傳感器三個小模塊中輸出的功率直接轉換成數位訊號，這個部分主要是由STM32微處理器及由AD620晶片組成的外圍電路所構成，則根據公式(1)、(2)、(3)、(4)，可以反推出相應的頻率f、相位Φ和功率P的大小：

然後是MCS51單片機部分，它的主要作用就是對各個電壓值進行公式計算得到需要的頻率f、相位Φ和功率P的數值。

最後就是液晶顯示部分，它的主要作用就是將得到的數位訊號直接進行顯示輸出，得出待測信號的頻率f、相位Φ和功率P的讀數。

有益效果：在本發明中，為了提高毫米波信號的檢測效率，將毫米波信號的頻率、相位以及功率實現一體化檢測，採取了簡單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小部分，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，同時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向後傳播進行功率測量，同時將模擬輸出信號經過轉換直接輸出在液晶屏幕上，構成完整的微波信號檢測儀器，具有較高的潛在應用價值。

附圖說明

圖1為本發明的矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器的結構框圖

圖2為本發明的矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器的俯視圖

圖3為本發明的矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的單刀雙擲開關的俯視圖

圖4為本發明的矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的單刀雙擲開關AA』方向的剖面圖

圖5為本發明的矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的俯視圖

圖6為本發明的矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的間接式熱電式功率傳感器的俯視圖

圖7為本發明的矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的間接式熱電式功率傳感器的剖面圖

圖8為本發明的矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器中模數轉換的電路圖

圖中包括：共面波導1，縫隙耦合結構2-1，縫隙耦合結構2-2，縫隙耦合結構2-3，縫隙耦合結構2-4，移相器3，頻率檢測模塊4，相位檢測模塊5，功率檢測模塊6，電阻7，P型半導體臂8，N型半導體臂9，歐姆接觸10，輸出電極11，熱電堆12，SiO2層13，高阻Si襯底14，非對稱共面帶線15，空氣橋16，襯底膜結構17，熱端18，冷端19，一號單刀雙擲開關20，二號單刀雙擲開關21，錨區22，Si3N4介質層23，開關下拉電極板24，開關梁25，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

本發明的矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器部分是基於高阻Si襯底14製作的，是由共面波導1、一號縫隙耦合結構2-1、二號縫隙耦合結構2-2、三號縫隙耦合結構2-3、四號縫隙耦合結構2-4、移相器3、一號單刀雙擲開關20、二號單刀雙擲開關21、一個Wilkinson功分器、三個Wilkinson功合器以及六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1、非對稱共面帶線15和電阻7構成，其中兩條長度相同的非對稱共面帶線15能夠將共面波導1上的毫米波信號分為相等的兩部分，而隔離電阻7位於兩條非對稱共面帶線15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1、兩個電阻7以及熱電堆12所構成，而熱電堆12又是由P型半導體臂8和N型半導體臂9通過歐姆接觸10級聯組成，其中共面波導1與兩個電阻7相連，而熱電堆12與終端電阻7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2-1和二號縫隙耦合結構2-2位於共面波導1上側地線，三號縫隙耦合結構2-3和四號縫隙耦合結構2-4則位於共面波導1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，首先來看頻率檢測模塊4，一號縫隙耦合結構2-1連接到第二埠1-2，第二埠1-2與一號單刀雙擲開關20的輸入端相連，一號單刀雙擲開關20的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和一號間接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號縫隙耦合結構2-2連接到第三埠1-3，第三埠1-3與二號單刀雙擲開關21的輸入端相連，二號單刀雙擲開關21的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和二號間接式熱電式功率傳感器，而一號Wilkinson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5，三號縫隙耦合結構2-3與第四埠1-4相連，第四埠1-4連接到二號Wilkinson功合器，四號縫隙耦合結構2-4與第五埠1-5相連，第五埠1-5連接到三號Wilkinson功合器，參考信號通過四號Wilkinson功分器的輸入端輸入，四號Wilkinson功分器的輸出端分別連接到二號Wilkinson功合器和三號Wilkinson功合器，然後，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，三號Wilkinson功合器的輸出端連接五號間接式熱電式功率傳感器，最後是功率檢測模塊6，在第六埠1-6處連接著六號間接式熱電式功率傳感器；在每個間接式熱電式功率傳感器之後都連接著模數轉換模塊，然後將這些模數轉換得到的數位訊號都接入MCS51單片機進行公式計算，最後通過液晶顯示屏顯示輸出頻率、相位和功率的數值大小。

本發明的矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器中傳感器的製備方法為：

1)準備高阻Si襯底14(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長一層SiO2層13，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7的要求。

4)利用掩模版1對要製作熱電堆P型半導體臂8的地方再次進行P型離子注入，達到P型半導體臂8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9的地方進行N型離子注入，達到N型半導體臂9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7、熱電堆12的P型半導體臂8和N型半導體臂9；

7)在熱電堆的P型半導體臂8和N型半導體臂9連接處製作歐姆接觸10；

8)在襯底上塗覆光刻膠，去除傳輸線、輸出電極11和開關下拉電極板23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、輸出電極11和開關下拉電極板23；

9)在前面步驟處理得到的高阻Si襯底14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16和開關梁24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16和開關梁25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11、空氣橋16和開關梁25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11、空氣橋16和開關梁25；

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17處的光刻膠，在終端負載處的電阻7和熱電堆12熱端下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結構17，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16和開關梁25下方的聚醯亞胺犧牲層；最後用去離子水浸泡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頻率和相位大小；功率分配器和功率合成器採用Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結構來實現功率的平分或合成；至於功率檢測器，則採用間接式熱電式功率傳感器來實現熱電轉換，從而測得功率的大小。這些結構不僅簡化了電路版圖，降低了製作成本，而且大大提高了毫米波信號的檢測效率，實現了毫米波信號的頻率、相位以及功率實現一體化檢測，同時將模擬輸出信號經過轉換直接輸出在液晶屏幕上，構成了一個完整的微波信號檢測儀器。

滿足以上條件的結構即視為本發明的矽基縫隙耦合式的間接式毫米波信號檢測儀器。