微電子機械微波頻率檢測器及其製備方法
2023-08-02 03:07:26 1
專利名稱：微電子機械微波頻率檢測器及其製備方法
技術領域：
本發明提出了基於微電子機械系統(MEMS)技術的微波頻率檢測器，屬於 微電子機械系統的技術領域。
背景技術：
在微波研究中，微波頻率是表徵微波信號特徵的一個重要參數，微波頻率 的測量在微波無線應用和測量技術中具有非常重要的地位。傳統的微波頻率檢 測器是基於二極體的，它的缺點需要消耗直流功率、測量的信號幅度比較小。 近20多年來，隨著MEMS技術的飛速發展，對MEMS固支梁結構進行了深入的研 究，使得採用MEMS技術實現微波頻率檢測器成為可能。
發明內容
技術問題:本發明的目的是提供一種基於MEMS技術的微電子機械微波頻率 檢測器及其製備方法，使得其結構非常簡單，可對未知信號進行測量，測量信 號的幅度範圍大、不需要消耗直流功率，且便於集成。
技術方案本發明的微電子機械微波頻率檢測器以砷化鎵為襯底，在襯底 上設計有一分三功率分配器、二合一功率合成器、共面波導傳輸線、固支梁結 構和熱耦結構
功率分配器、功率合成器由共面波導(CPW)構成的輸入埠、輸出埠、不 對稱共面帶線和氮化鉭電阻組成。本發明中使用到一分三功率分配器，如圖2 所示，埠一通過不對稱共面帶線分別接埠二和埠四，通過共面波導結構 接埠三，在與埠二、埠三之間和埠三、埠四之間的連接線中間連接 有氮化鉭電阻；本發明中使用的二合一功率合成器，如圖3所示，埠一、端 口二通過不對稱共面帶線分別接埠三，在與埠一和埠二相接的兩不對稱 共面帶線之間連接有氮化鉭電阻，從埠一和埠二輸入，從埠三輸出時為
二合一功率合成器。
對於大信號測量，採用固支梁結構測量；對於小信號採用熱耦結構測量。 兩種測量選擇加大了可測得微波信號範圍。
固支梁結構如圖4所示，以砷化鎵為襯底，在襯底上的中間設計有信號 輸入埠，在CPW的信號線兩旁分別設有CPW的地線，在CPW的地線上分別設 有橋墩，在橋墩上設有固支梁，在CPW的信號線的兩旁分別設有傳感電極，傳 感電極通過傳感電極引線接電容檢測埠的一個端，CPW的地線接電容檢測埠 的另一個端，在固支梁下方CPW的信號線、CPW的地線和傳感電極上表面設有氮 化矽介質層。
熱耦結構如圖4所示，在共面波導的末端並聯兩個熱阻，兩個並聯的電 阻吸收輸入的信號，通過熱耦對將吸收的微波功率的轉化為可測的電壓差值， 熱耦的冷端連接了一塊大面積的金屬，熱耦的冷熱段分別連接到兩個電壓測試 埠上。
待測信號加到一分三功率分配器的埠一，在其埠二、埠三和埠四 處產生了三個新的信號；其中第一被測信號作為參考信號輸出到固支梁結構的 信號輸入端，以測試未知信號的有效值大小；對於第二被測信號和第三被測信 號，先將第三被測信號接到長度為L的共面波導傳輸線，然後將該共面波導傳 輸線的另一端與第二被測信號分別接到二合一功率合成器的埠一和埠二 處，在二合一功率合成器的埠三形成了第二信號，把該第二信號接到固支梁 結構的信號輸入端。CPW由CPW的地線和CPW的信號線共同組成。
微波信號通過固定長度的傳輸線會所產生一個相應的固定相移，當所產生
的相移在0°~180°內時，信號的頻率與所產生的相移是一一對應的，利用固支
梁結構或者熱耦結構測出這個相移量就可以測出這個信號的頻率。
被測微波信號的幅度由第一被測信號測試得到，被測信號通過功率分配器
產生了三個信號，即形成了被測信號一 被測信號三(t/sl t/s3)， C/Sl、 [/52與 f^是完全相同的三個信號，其電壓幅度的有效值為被測信號電壓有效值的
;。Us2傳輸到二合一功率合成器的第一埠， t/。通過一段長度為L的傳輸
線，得到被測信號二《3，它與C^之間存在一個固定的相位差^，這個相位差 就是由長度為L的傳輸線產生的，將《3接到二合一功率合成器的第二埠。在
二合一功率合成器的第三埠得到一個新信號，稱為第二信號，其大小由《3、
C/w及它們之間的相位差決定。R,從功分器的埠二通過CPW線連接到固支梁 結構的共面波導(CPW)，稱為第一信號大小仍等於R,。第一信號和第二信號在
通過帶有固支梁結構的共面波導時，會產生靜電力，從而將固支梁下拉，引起 固支梁與傳感電極之間電容發生變化，通過電容檢測電路測出電容，其值是分 別與兩個信號電壓的有效值的平方是一一對應的，這樣就得到了第一信號和第
二信號電壓有效值的平方這兩個數值。由《3、 t^及第二信號組成的三角形的 三邊長度都已知了，根據幾何知識可知，三角形的形狀也就確定下來了，根據 餘弦定理和第二信號的有效值和第一信號的有效值成比例關係就可以確定c4
和(^之間的相位差為^。由於^與信號的頻率是一一對應的，所以信號的頻率
也就可以測量出來。
熱耦結構使用共面波導結構導入第一信號和第二信號，在共面波導的末端 並聯兩個熱阻，兩個並聯的電阻吸收輸入的信號，通過熱耦對將吸收的微波功 率的轉化為可測得電壓差值，熱耦的冷端連接了一塊大面積的金屬，熱耦的冷 熱段分別連接到兩個測試埠上，通過測量兩條支路上熱耦輸出電壓的值，與
第一信號和第二信號的有效值比例關係可以確定《3和"2之間的相位差為伊， 而^與信號的頻率是一一對應的，所以信號的頻率也就測量出來了。對於大信
號測量，採用固支梁結構測量；對於小信號採用熱耦結構測量。由於所有的設
計採用了阻抗匹配的設計，小信號在通過固支梁結構時損耗很小。兩種測量選 擇加大了可測微波信號的範圍。
微電子機械微波頻率檢測器的製備方法為
1) 準備砷化鎵襯底；選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底，
2) 澱積氮化鉭，
3) 光刻並刻蝕氮化鉭，形成一分三功率分配器和二合一功率合成器的匹配 電阻，即氮化鉭電阻，
4) 光刻；去除在一分三功率分配器、二合一功率合成器、共面波導傳輸線、 傳感電極和固支梁結構的橋墩結構處的光刻膠，
5) 濺射金，剝離去除光刻膠；形成一分三功率分配器、二合一功率合成器、
共面波導傳輸線、傳感電極和固支梁結構的橋墩，金的厚度為0.3/zm,
6) 澱積氮化矽介質層；用等離子體增強化學氣相澱積法工藝生長1000埃
的氮化矽介質層，
7) 光刻並刻蝕氮化矽介質層；保留固支梁下方CPW的信號線、CPW的地線
和傳感電極上的氮化矽，
8) 澱積並光刻聚醯亞胺犧牲層；在砷化鎵襯底上塗覆1.6//m厚的聚醯亞胺
犧牲層，要求填滿凹坑，聚醯亞胺犧牲層的厚度決定了固支梁與氮化矽介質層 所在平面之間距離，光刻聚醯亞胺犧牲層，僅保留固支梁下的犧牲層，
9) 濺射鈦/金/鈦；濺射用於電鍍一分三功率分配器、二合一功率合成器、 共面波導傳輸線和固支梁的底金鈦/金/鈦=500/1500/300埃，
10) 光刻鈦/金/鈦；去除一分三功率分配器、二合一功率合成器、共面波 導傳輸線和固支梁以外的光刻膠，
11) 電鍍金；電鍍金的厚度為2;/w，
12) 去除光刻膠；
13) 反刻金層，腐蝕底金層，形成一分三功率分配器、二合一功率合成器、 共面波導傳輸線和固支梁，
14) 釋放犧牲層；用顯影液溶解固支梁結構下方的聚醯亞胺犧牲層，並用 無水乙醇脫水，形成懸浮的固支梁結構。
有益效果:與現有的微波頻率檢測器相比，這種新型的基於MEMS的技術的
微波頻率檢測器具有以下顯著的優點
1、 可以對未知微波信號進行測量，且待測信號幅值測量參考支路與頻率測
量支路傳輸長度幾乎相同，各支路傳輸線的損耗可以相互抵消；
2、 測量範圍廣，固支梁結構適於測量大信號，熱耦結構適於測量小信號。 而且這種結構是基於MEMS技術的，具有MEMS的基本優點，如體積小、重
量輕、功耗低等。該結構由MEMS結構和微波功率合成及分配器，以及微波傳輸 線構成，全部是無源器件，不需要消耗直流功率；且與單片微波集成電路(MMIC) 工藝完全兼容，便於集成,這一系列優點是傳統的微波頻率檢測器無法比擬的， 因此它具有很好的研究和應用價值。
圖1是微波頻率檢測器的原理圖。
圖2是一分三功分器的正面俯視圖。
圖3是二合一功合器的正面俯視圖。
圖4是固支梁結構和熱耦結構的正面俯視圖。
圖5微波信號頻率與固支梁結構電容檢測值的關係圖。
圖6微波信號頻率與熱耦結構電壓檢測值的關係圖。
圖中包括 一分三功分器埠一l， 一分三功分器埠二2， 一分三功分器 埠三3， 一分三功分器埠四4，不對稱共面帶線(ACPS)5，埠氮化鉅(TaN) 電阻6，功合器埠一7，功合器埠二8，功合器埠三9， CPW的地線IO， CPW的信號線ll，電容檢測埠12，傳感電極引線穿通膜橋13，固支梁14，傳 感電極15,氮化矽(SiN)介質層16，熱阻17，熱耦對18，增加冷端溫度穩定 性的金屬塊19，熱耦電壓檢測埠20。
具體實施例方式
本發明的微電子機械微波頻率檢測器是一種微波瞬時頻率在線檢測器，以 GaAs襯底為襯底，具體實施方案如下
在襯底上設計有一分三功率分配器a、共面波導傳輸線b、 二合一功率合成 器c、固支梁結構d和熱耦結構e:
一分三功率分配器a由共面波導構成的埠一l、埠二2、埠三3、端 口四4、不對稱共面帶線5和氮化鉭電阻6組成，埠一 1通過不對稱共面帶線 5分別接埠二2和埠三3，通過共面波導結構接埠 4，在與埠二2、端 口四4之間和埠3、埠四4之間相接的帶線之間連接有氮化鉅電阻6; 二合 一功率合成器c由共面波導構成的埠一7、埠二8、埠三9、不對稱共面 帶線5和氮化鉭電阻6組成，埠一 7和埠二 8通過不對稱共面帶線5分別
接埠三9，在與埠一 7和埠二 8相接的兩不對稱共面帶線5之間連接有氮 化鉭電阻6;固支梁結構d以砷化鎵為襯，在襯底上的中間設有CPW的信號線 11，在CPW的信號線ll的兩旁分別設有CPW的地線lO，在CPW的信號線11外 的兩旁分別設有傳感電極15，傳感電極15通過傳感電極引線通過傳感電極引線 穿通膜橋13接電容檢測埠 12的一個端，CPW的地線10接電容檢測埠 12 的另一個端，在CPW地線中央設有在固支梁14，在固支梁14下方的CPW的信號 線11、傳感電極引線穿通膜橋13下的信號傳輸線和傳感電極15表面設有氮化 矽介質層16。熱耦結構e由共面波導的末端並聯兩個熱阻l7，貼近熱阻的熱耦 對18，增加冷端溫度穩定性的金屬塊19組成，熱耦的冷熱段分別連接到熱耦電 壓檢測埠 20上。
對於未知的待測信號，被測信號通過一分三功率分配器產生了三個信號， 即形成了被測信號一 被測信號三(R, C^)， R,、 ",2與^3是完全相同的
三個信號，其電壓幅度的有效值為被測信號電壓有效值的+。 ^2傳輸到二合
一功率合成器的第一埠， [^通過一段長度為L的傳輸線，得到被測信號二 f4，它與[^之間存在一個固定的相位差p，這個相位差就是由長度為L的傳 輸線產生的，將t4接到二合一功率合成器的第二埠。在二合一功率合成器的
第三埠得到一個新信號，稱為第二信號，其大小由t4、 ^2及它們之間的相
位差決定。C^從功分器的二埠通過CPW線連接到固支梁結構的共面波導 (CPW)，稱為第一信號大小仍等於c^。第一信號和第二信號在通過帶有固支梁 結構的共面波導(CPW)時，會產生靜電力，從而將固支梁下拉，引起固支梁與
傳感電極之間電容發生變化，通過電容檢測電路測出電容，其值是與信號電壓 的有效值的平方是一一對應的，這樣就得到了信號電壓有效值的平方這個數值。 由於第二信號的有效值和第一信號的有效值成比例關係。由《3、 t/w及第二信
號組成的三角形的三邊長度都已知了，根據幾何知識可知，三角形的形狀也就 確定下來了 ，根據餘弦定理和第二信號的有效值和第一信號的有效值成比例關
系就可以確定和t/,2之間的相位差為p 。由於p與信號的頻率是一一對應的，
所以信號的頻率也就可以測量出來。
熱耦結構使用共面波導結構導入第一信號和第二信號，在共面波導的末端 並聯兩個熱阻，兩個並聯的電阻吸收輸入的信號，通過熱耦對將吸收的微波功 率的轉化為可測得電壓差值，熱耦的冷端連接了一塊大面積的金屬，熱耦的冷 熱段分別連接到兩個測試埠上，由於測量兩條支路上熱耦輸出電壓的值，與 測量信號的有效值成比例關係，利用餘弦定理和第一信號和第二信號的有效值
比例關係可以確定《3和&2之間的相位差為^，而^與信號的頻率是一一對應
的，所以信號的頻率也就測量出來了。對於大信號測量，採用固支梁結構測量； 對於小信號採用熱耦結構測量。由於所有的設計採用了阻抗匹配的設計，小信 號在通過固支梁結構時損耗很小。兩種測量選擇加大了可測得微波信號範圍。
CPW由CPW的地線10和CPW的信號線11共同組成。 微波頻率檢測器的工藝步驟如下
1) 準備GaAs襯底；選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底，
2) 在砷化鎵襯底上澱積氮化鉭，
3) 光刻並刻蝕TaN，形成一分三功率分配器和二合一功率合成器的匹配電 阻，熱阻，
4) 光刻；去除在一分三功率分配器、二合一功率合成器、共面波導、傳感 電極和固支梁的橋墩等結構處的光刻膠，
5) 濺射Au,剝離；形成一分三功率分配器、二合一功率合成器、CPW、傳
感電極和固支梁的橋墩等結構，Au的厚度為0.3/zm，
6) 澱積SiN介質層；用PEVCD工藝生長1000埃的SiN介質層，
7) 光刻並刻蝕SiN介質層；保留固支梁下方CPW的信號線、CPW的地線和 傳感電極上的SiN，傳感電極引線穿通膜橋下引線上的SiN，
8) 澱積並光刻聚醯亞胺犧牲層；在GaAs襯底上塗覆1.6//w厚的聚醯亞胺
犧牲層，要求填滿凹坑，聚醯亞胺犧牲層的厚度決定了固支梁與氮化矽介質層 所在平面的距離。光刻聚醯亞胺犧牲層，僅保留MEMS膜下的犧牲層，
9) 濺射Ti/Au/Ti;濺射用於電鍍一分三功率分配器、二合一功率合成器、 CPW和MEMS膜等結構的底金Ti/Au/Ti =500/1500/300埃，
10) 光刻Ti/Au/Ti;去除一分三功率分配器、二合一功率合成器、共面波
導傳輸線和固支梁以外的光刻膠，
11) 電鍍Au;電鍍Au的厚度為2//m，
12) 去除光刻膠，
13)反刻Au層，腐蝕底金層，形成一分三功率分配器、二合一功率合成器、CPW 和MEMS膜等結構，
14)釋放犧牲層；用顯影液溶解MEMS膜下方的聚醯亞胺犧牲層，並用無 水乙醇脫水，形成懸浮的MEMS膜結構。 區分是否為該結構的標準如下
1、 可以測量幅值未知的微波信號的頻率，待測信號分為三條支路傳輸測量， 並且幅值測量參考支路與頻率測量支路傳輸長度幾乎相同，計算頻率時各支路 傳輸線的損耗可以相互抵消，提高了測量的精度；
2、 是採用兩種測量結構對有效值進行測量固支梁結構測量大信號，熱耦 結構測量小信號。基於固支梁結構的工作原理為，微波信號產生靜電力將固支 梁下拉，引起電容的變化，由電容檢測電路測出電容，從而推出相位差，再由 相位差反映其頻率。基於熱耦結構的工作原理為，通過兩條支路上熱耦輸出電 .壓的值推出相位差，再由相位差反映其頻率。
滿足以上條件的結構即視為本發明的微電子機械微波頻率檢測器。
權利要求
1. 一種微電子機械微波頻率檢測器，其特徵在於該檢測器以砷化鎵為襯底，在襯底上設有一分三功率分配器(a)、共面波導傳輸線(b)、二合一功率合成器(c)、固支梁結構(d)和熱耦結構(e)一分三功率分配器(a)由共面波導構成的埠一(1)、埠二(2)、埠三(3)、埠四(4)、不對稱共面帶線(5)和氮化鉭電阻(6)組成，埠一(1)通過不對稱共面帶線(5)分別接埠二(2)和埠三(3)，通過共面波導結構接埠(4)，在與埠二(2)、埠四(4)之間和埠三(3)、埠四(4)之間相接的帶線之間連接有氮化鉭電阻(6)；二合一功率合成器(c)由共面波導構成的埠一(7)、埠二(8)、埠三(9)、不對稱共面帶線(5)和氮化鉭電阻(6)組成，埠一(7)和埠二(8)通過不對稱共面帶線(5)分別接埠三(9)，在與埠一(7)和埠二(8)相接的兩不對稱共面帶線(5)之間連接有氮化鉭電阻(6)；固支梁結構(d)以砷化鎵為襯底，在襯底上的中間設有CPW的信號線(11)，在CPW的信號線(11)的兩旁分別設有CPW的地線(10)，在CPW的信號線(11)外的兩旁分別設有傳感電極(15)，傳感電極(15)通過傳感電極引線穿通膜橋(13)接電容檢測埠(12)的一個端，CPW的地線(10)接電容檢測埠(12)的另一個端，在CPW地線(10)中央設有在固支梁(14)，在固支梁14下方的CPW的信號線(11)、傳感電極引線穿通膜橋(13)下的信號傳輸線和傳感電極(15)表面設有氮化矽介質層(16)。熱耦結構(e)由共面波導的末端並聯兩個熱阻(17)，貼近熱阻的熱耦對(18)，增加冷端溫度穩定性的金屬塊(19)組成，熱耦的冷熱段分別連接到熱耦電壓檢測埠(20)上。
2、 一種如權利要求l所述的微電子機械微波頻率檢測器的製備方法，其特 徵在於製備方法為1) 準備砷化鎵襯底；選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底，2) 在砷化鎵襯底上澱積氮化鉭，3) 光刻並刻蝕氮化鉭，形成一分三功率分配器和二合一功率合成器的匹配 電阻，即氮化鉭電阻(6),4)光刻；去除需製作一分三功率分配器(a)、共面波導傳輸線(b)、 二合 一功率合成器(c)、固支梁的橋墩結構處和熱耦結構(e)處的光刻膠，5)濺射金，剝離去除光刻膠；形成一分三功率分配器(a)、 二合一功率 合成器(c)、共面波導傳輸線(b)、傳感電極(15)和固支梁的橋墩，金的厚度為0. 3//m，6) 澱積氮化矽介質層；用等離子體增強化學氣相澱積法工藝生長1000埃 的氮化矽介質層(16)，7) 光刻並刻蝕氮化矽介質層；保留固支梁(14)下方CPW的信號線(11)、 CPW的地線(10)和傳感電極(15)上的氮化矽(SiN)介質層(16)，8) 澱積並光刻聚醯亞胺犧牲層；在砷化鎵襯底上塗覆1.6//m厚的聚醯亞胺犧牲層，要求填滿凹坑，聚醯亞胺犧牲層的厚度決定了固支梁(14)與氮化矽 介質層(16)所在平面之間距離，光刻聚醯亞胺犧牲層，僅保留固支梁(14) 下的犧牲層，9) 濺射鈦/金/鈦；濺射用於電鍍一分三功率分配器(a)、 二合一功率合成 器(c)、共面波導傳輸線(b)、固支梁結構(d)和熱耦結構(e)的底金鈦/金/ 鈦=500/1500/300埃，10) 光刻鈦/金/鈦；去除一分三功率分配器(a)、 二合一功率合成器(c)、 共面波導傳輸線(b)、固支梁結構(d)和熱耦結構(e)以外的光刻膠，11) 電鍍金；電鍍金的厚度為2/^，12) 去除光刻膠，13) 反刻金層，腐蝕底金層，形成一分三功率分配器(a)、 二合一功率合 成器(c)、共面波導傳輸線(b)、固支梁結構(d)和熱耦結構(e),14) 釋放犧牲層；用顯影液溶解固支梁結構下方的聚醯亞胺犧牲層，並用 無水乙醇脫水，形成懸浮的固支梁結構(d)。
全文摘要
微電子機械微波頻率檢測器及其製備方法是一種結構非常簡單，可對未知微波信號進行測量、測量信號的幅度範圍大、不需要消耗直流功率，且便於集成的微電子機械微波頻率檢測器及其製備方法，該檢測器以砷化鎵為襯底，在襯底上設有一分三功率分配器(a)、共面波導傳輸線(b)、二合一功率合成器(c)、固支梁結構(d)和熱耦結構(e)構成微電子機械微波頻率檢測器。
文檔編號G01R23/00GK101387664SQ20081015533
公開日2009年3月18日 申請日期2008年10月17日 優先權日2008年10月17日
發明者廖小平, 俊 張 申請人:東南大學