基於微電子機械懸臂梁通過式微波功率檢測器及製備方法

2023-05-15 09:07:06 3

專利名稱：基於微電子機械懸臂梁通過式微波功率檢測器及製備方法
技術領域：
本發明提出了一種基於懸臂梁的通過式微波功率檢測器及其製備方法，屬於 微電子機械系統(MEMS)的技術領域。
背景技術：
微波功率是表徵微波信號特性的重要參數之一，如標定微波發射機的輸出功率、 測量微波接收機的靈敏度以及確定放大器的增益等參數，都離不開微波功率的測量。 在直流和低頻段，電信號的功率可由測量它的電壓、電流得到，但是到了射頻/微波 頻段，信號以波的形式存在，電壓、電流已經失去了意義，信號功率的測量都是經 過其他間接方法得到的。總的看來，這些用來測量微波信號功率的方法的思路都是 使用一種器件(即微波功率傳感器)把微波功率轉化為可方便測量的低頻信號，通 過測量此低頻信號的某些參量來得到待測微波信號的功率。微電子機械系統(MEMS)技術的飛速發展使得MEMS微波功率傳感器的出現成為 可能，其原理是終端電阻吸收待測的微波功率並將其轉化為焦耳熱，從而在熱電 堆兩端產生溫差，熱電堆的輸出端便會輸出基於塞貝克效應而產生的熱電勢，用該 熱電勢表徵輸入的微波功率。在該功率傳感器的前端製作了微波功率耦合器，使得 微波功率通過式檢測成為可能。與傳統的功率計相比較，基於MEMS技術的微波功率 傳感器具有許多獨特的優點，如體積小、結構簡單、損耗小、靈敏度高、與矽(Si) 工藝或砷化鎵(GaAs)工藝相兼容等，本發明即為基於此工作原理的檢測器。發明內容技術問題本發明的目的是提供一種基於MEMS技術懸臂梁通過式微波功率 檢測器及其製備方法。利用多層材料梁釋放後存在的殘餘應力，使梁產生向上彎 曲，從而在不檢測時獲得極低的插入損耗。通過改變懸臂梁的長度以及寬度，就 可以改變微波功率耦合器的耦合度；將終端電阻製作成半環狀，將熱電堆的熱端嵌入其中，進一步提高傳熱效率。該微波功率檢測器實現了微波功率的通過式檢 測。技術方案本發明提出的基於微電子機械懸臂梁通過式微波功率檢測器以砷 化鎵為襯底，在砷化鎵襯底上設一層鋁鎵砷薄膜，在鋁鎵砷薄膜的上表面設有基 於懸臂梁結構的微波功率耦合器和微波功率傳感器。微波功率耦合器包括第一 CPW 地線、中心信號線、介質層、下拉電極、懸臂梁、懸臂梁錨區，鉻金屬層；其中， 第一 CPW地線、中心信號線、下拉電極順序並排排列，中心信號線、下拉電極上表 面的中部設有介質層，懸臂梁固定在中心信號線上的懸臂梁錨區處，在懸臂梁的上 表面設有鉻金屬層，懸臂梁的活動端位於介質層的上方。微波功率傳感器包括第二 CPW地線、中心信號線、終端電阻、熱電堆、壓焊塊、金屬散熱片；其中，中心信號 線橫向位於中間，中心信號線通過終端電阻分別與兩側的第二 CPW地線連接，熱電 堆位於終端電阻與金屬散熱片之間。基於微電子機械懸臂梁通過式微波功率檢測器的製備方法為步驟l.準備砷化鎵襯底，使用未摻雜的砷化鎵，厚度為500ym;步驟2.外延生長鋁鎵砷薄膜，用作腐蝕自停止層，厚度為1000 A;步驟3.在鋁鎵砷薄膜上製備熱電堆外延生長砷化鎵，生長範圍為熱電堆砷化鎵臂，厚度為0.25ym;濺射金鍺鎳/金，生長熱電堆金屬臂，金鍺鎳/金 的厚度為300 /1800A;步驟4.在鋁鎵砷薄膜上澱積氮化鉭形成終端電阻，澱積厚度為2ym;在鋁 鎵砷薄膜上濺射並光刻鈦/金/鈦，濺射範圍為共面波導傳輸線即第一CPW地 線、中心信號線、第二CPW地線、中心信號線、金屬散熱片、下拉電極，濺射 厚度為500/1500/300 A;步驟5.電鍍金，電鍍範圍為共面波導傳輸線、金屬散熱片、下拉電極，厚 度為2um;步驟6.在中心信號線、下拉電極上表面的中部澱積SiN介質層，厚度為1000A; 步驟7.澱積聚醯亞胺犧牲層，厚度為1. m;步驟8.在聚醯亞胺層上採用熱蒸發工藝澱積0.5iim的鋁層，在鋁層上採用電子束蒸發工藝澱積0. 1 u m的鉻金屬層；步驟9.釋放聚醯亞胺犧牲層，形成懸臂梁結構；步驟10.減薄砷化鎵襯底至100 li m並背面刻蝕至鋁鎵砷薄膜。有益效果通過控制MEMS懸臂梁在Up態與Down態之間的轉換，就可以實現微 波功率的通過式檢測。在Up態下，懸臂梁向上彎曲，遠離中心信號線，幾乎不耦合 中心信號線上的微波功率，微波功率耦合器的插入損耗小；在Down態，微波功率耦 合器的耦合度大小主要由MEMS懸臂梁結構的L電容決定，易於改變耦合度。此外， 終端電阻製作成半環狀，使熱電堆的熱端嵌入其中，提高了傳熱效率，從而提高了 靈敏度。該基於MEMS懸臂梁通過式微波功率檢測器的工藝與傳統GaAs工藝兼容， 增加了本發明的實用性。
區分是否為該結構的標準如下-
1. 微波功率耦合器的CPW中心信號線上方製作了向上彎曲的懸臂梁，並通 過懸臂梁對微波信號進行耦合，改變耦合度的方式是通過改變懸臂梁與 中心信號線交疊區的長度以及懸臂梁的寬度來實現的；
2. 終端電阻製作成半環狀，將熱電堆的熱端嵌入其中。
滿足以上2個條件的結構即視為基於微電子機械技術的懸臂梁通過式微波 功率檢測器。


圖1是基於微電子機械懸臂梁通過式微波功率檢測器的俯視圖； 圖2是基於微電子機械懸臂梁通過式微波功率檢測器在Up態下的A-A面剖 視圖3是基於微電子機械懸臂梁通過式微波功率檢測器在Down態下的A-A面 剖視圖4是基於微電子機械懸臂梁通過式微波功率檢測器的工藝流程圖。圖4一1 準備砷化鎵襯底，圖4一2外延生長鋁鎵砷薄膜，圖4一3外延生長砷化鎵，圖4一 4濺射金鍺鎳/金，圖4一5澱積氮化鉭形成終端電阻，圖4一6濺射並光刻鈦/金/ 鈦，圖4一7電鍍金，圖4一8澱積SiN介質層，圖4一9澱積聚醯亞胺犧牲層，圖 4一10澱積鋁層、鉻層，圖4一11釋放聚醯亞胺犧牲層，圖4一12減薄襯底並背面 刻蝕，
圖5是懸臂梁處於Down態時的耦合度(交疊區長、寬分別為lura、 80pm)。 圖6是輸出熱電勢隨輸入功率的變化圖(微波功率傳感器部分尺寸為地線 寬142um，槽寬58iim，中心信號線寬100 u m，熱電偶長度為80nm，熱電偶距終端電阻5um，對數為6。) 圖中包括微波功率耦合器第一CPW地線1一1、中心信號線1一2、介質層1一3、下拉電 極1一4、懸臂梁1一5、懸臂梁錨區1一6、鉻金屬層1一7;微波功率傳感器第二CPW地線2—1、中心信號線2—2、終端電阻2—3、熱電 堆2—4、壓焊塊2—5、金屬散熱片2—6;砷化鎵襯底3、鋁鎵砷薄膜4。
具體實施方式
本發明提出的微波功率檢測器包含兩部分基於懸臂梁結構的微波功率耦合 器和微波功率傳感器。其俯視圖如圖l所示。如圖1所示的微波功率檢測器，該微波功率檢測器以砷化鎵3為襯底，在砷化鎵襯底上設一層鋁鎵砷薄膜4，在鋁鎵砷薄膜4的上表面設有基於懸臂梁結構的 微波功率耦合器和微波功率傳感器。微波功率耦合器包括第一CPW地線1一1、中心 信號線1一2、介質層1一3、下拉電極1一4、懸臂梁1一5、懸臂梁錨區1一6，鉻金 屬層1一7;其中，第一CPW地線1一1、中心信號線1一2、下拉電極1一4順序並排 排列，中心信號線l一2、下拉電極l一4上表面的中部設有介質層l一3，懸臂梁1 一5固定在中心信號線2—2上的懸臂梁錨區l一6處，在懸臂梁1—5的上表面設有 鉻金屬層1一7，懸臂梁1一5的活動端位於介質層1一3的上方。微波功率傳感器包 括第二CPW地線2 — 1、中心信號線2—2、終端電阻2—3、熱電堆2—4、壓焊塊2 _5、金屬散熱片2—6;其中，中心信號線2—2橫向位於中間，中心信號線2—2通 過終端電阻2—3分別與兩側的第二 CPW地線2—1連接，.熱電堆2—4位於終端電阻 2—3與金屬散熱片2—6之間。左端的微波功率耦合器根據懸臂梁下拉與否可以分為Up態和Down態。當下拉 電極上沒加下拉電壓時，懸臂梁懸浮於中心信號線上，微波功率耦合器處於Up態， 如圖2所示；當下拉電極上施加一定下拉電壓時，懸臂梁下拉並與中心信號線上的 介質層接觸，微波功率耦合器處於Down態，如圖3所示。當微波功率耦合器處於Up 態時，由於懸臂梁向上彎曲，離中心信號線較遠，對CPW上傳輸的微波信號沒有影 響，所以幾乎不耦合中心信號線上的功率，因而插入損耗極小；當微波功率耦合器 處於DoTO態時，懸臂梁末端、介質層、中心信號線構成一MIM (金屬-絕緣體-金屬)電容，微波功率可以通過此MIM電容耦合到微波功率傳感器，終端電阻吸收微波 功率並將其轉化為焦耳熱，從而在熱電堆兩端產生溫差，熱電堆的輸出端(壓焊塊) 便會輸出基於塞貝克效應而產生的熱電勢，從而實現微波功率的測量。當施加驅動電壓使MEMS懸臂梁處於Down態時，中心信號線、介質層、懸臂 梁構成電容a^，終端電阻上所消耗的微波功率即為該電容耦合出的功率。通過 改變該電容的值可以改變耦合出的微波功率的大小，即耦合度。G,主要由懸臂 梁和CPW中心信號線交疊面積決定，因此，改變懸臂梁與中心信號線交疊區的長 度以及懸臂梁的寬度就可以實現不同耦合度的要求。與傳統的微波功率傳感器的終端電阻構造形式不同，該發明將終端電阻製作 成半環狀，使熱電堆的熱端嵌入其中，改善傳熱效率，從而能夠提高熱端的溫度， 進而提高傳感器的靈敏度。通過控制微波功率耦合器在Up態與Down態之間的轉換來實現微波功率的通 過式檢測，通過控制懸臂梁與CPW中心信號線交疊區域面積的大小來改變微波功 率的耦合度。本發明提出了一種基於微電子機械技術的懸臂梁通過式微波功率檢測器，通 過微波功率耦合器在Up態與Down態之間的轉換來決定是否耦合功率，微波功率 傳感器的終端電阻吸收耦合的微波功率並將其轉化為焦耳熱，從而在熱電堆兩端 產生溫度差，熱電堆輸出端輸出基於塞貝克效應的熱電勢。金屬散熱片使熱電堆 冷端溫度保持恆定。本發明製備工藝與GaAs單片微波集成電路(MMIC)工藝相 兼容，具體工藝步驟如下1. 準備砷化鎵襯底，使用未摻雜的砷化鎵，厚度為500ym;2. 外延生長鋁鎵砷薄膜，用作腐蝕自停止層，厚度為1000 A;3. 外延生長砷化鎵，生長範圍為熱電堆砷化鎵臂，厚度為0.25um;4. 濺射金鍺鎳/金，生長熱電堆金屬臂，金鍺鎳/金的厚度為300 /1800A;5. 澱積氮化鉭形成終端電阻，澱積厚度為2um;6. 濺射並光刻鈦/金/鈦，濺射範圍為共面波導傳輸線、金屬散熱片、下拉 電極，濺射厚度為500/1500/300 A。7. 電鍍金，電鍍範圍為波導傳輸線、金屬散熱片、下拉電極，厚度為2ym;8. 澱積SiN介質層，厚度為1000A;9. 澱積聚醯亞胺犧牲層，厚度為1.6pm;
10. 在聚醯亞胺層上採用熱蒸發工藝澱積0.5ixm的鋁層，在鋁層上採用電 子束蒸發工藝澱積0. 1 ii m的鉻層；
11. 釋放聚醯亞胺犧牲層，形成懸臂梁結構；
12. 減薄襯底至100u m並背面刻蝕至鋁鎵砷阻擋層。
權利要求
1.一種基於微電子機械懸臂梁通過式微波功率檢測器，其特徵在於該微波功率檢測器以砷化鎵(3)為襯底，在砷化鎵襯底上設一層鋁鎵砷薄膜(4)，在鋁鎵砷薄膜(4)的上表面設有基於懸臂梁結構的微波功率耦合器和微波功率傳感器。微波功率耦合器包括第一CPW地線(1-1)、中心信號線(1-2)、介質層(1-3)、下拉電極(1-4)、懸臂梁(1-5)、懸臂梁錨區(1-6)，鉻金屬層(1-7)；其中，第一CPW地線(1-1)、中心信號線(1-2)、下拉電極(1-4)順序並排排列，中心信號線(1-2)、下拉電極(1-4)上表面的中部設有介質層(1-3)，懸臂梁(1-5)固定在中心信號線(2-2)上的懸臂梁錨區(1-6)處，在懸臂梁(1-5)的上表面設有鉻金屬層(1-7)，懸臂梁(1-5)的活動端位於介質層(1-3)的上方。微波功率傳感器包括第二CPW地線(2-1)、中心信號線(2-2)、終端電阻(2-3)、熱電堆(2-4)、壓焊塊(2-5)、金屬散熱片(2-6)；其中，中心信號線(2-2)橫向位於中間，中心信號線(2-2)通過終端電阻(2-3)分別與兩側的第二CPW地線(2-1)連接，熱電堆(2-4)位於終端電阻(2-3)與金屬散熱片(2-6)之間。
2. —種如權利要求1所述的基於微電子機械懸臂梁通過式微波功率檢測器的 製備方法，其特徵在於製備方法為步驟l.準備砷化鎵(3)襯底，使用未摻雜的砷化鎵，厚度為500ym;步驟2.外延生長鋁鎵砷薄膜(4)，用作腐蝕自停止層，厚度為1000 A;步驟3.在鋁鎵砷薄膜(4)上製備熱電堆(2—4):外延生長砷化鎵，生長 範圍為熱電堆砷化鎵臂，厚度為0.25i:nu濺射金鍺鎳/金，生長熱電堆金屬臂， 金鍺鎳/金的厚度為300 /1800A;步驟4.在鋁鎵砷薄膜(4)上澱積氮化鉭形成終端電阻(2 — 3)，澱積厚度 為2um;在鋁鎵砷薄膜(4)上濺射並光刻鈦/金/鈦，濺射範圍為共面波導傳輸 線即第一CPW地線(l一l)、中心信號線(1_2)、第二CPW地線(2—1)、中心 信號線(2—2)、金屬散熱片(2 — 6)、下拉電極(1一4)，濺射厚度為500/1500/300A;步驟5.電鍍金，電鍍範圍為共面波導傳輸線、金屬散熱片(2—6)、下拉電極(l一4)，厚度為2um;歩驟6.在中心信號線(1_2)、下拉電極(l一4)上表面的中部澱積SiN介質 層(l一3)，厚度為1000A;步驟7.澱積聚醯亞胺犧牲層，厚度為1. 6 " m;步驟8.在聚醯亞胺層上採用熱蒸發工藝澱積0.5um的鋁層，在鋁層上採 用電子束蒸發工藝澱積O. lum的鉻金屬層(l一7); 步驟9.釋放聚醯亞胺犧牲層，形成懸臂梁結構；步驟10.減薄砷化鎵(3)襯底至100um並背面刻蝕至鋁鎵砷薄膜(4)。
全文摘要
基於微電子機械懸臂梁通過式微波功率檢測器及製備方法利用多層材料梁釋放後存在的殘餘應力，使梁產生向上彎曲，從而在不檢測時獲得極低的插入損耗。通過改變懸臂梁的長度以及寬度，就可以改變微波功率耦合器的耦合度；將終端電阻製作成半環狀，將熱電堆的熱端嵌入其中，進一步提高傳熱效率。該微波功率檢測器實現了微波功率的通過式檢測。微波功率檢測器以砷化鎵為襯底，在砷化鎵襯底上有一層鋁鎵砷薄膜，從左至右分別為基於懸臂梁結構的微波功率耦合器和微波功率傳感器。微波功率耦合器包括CPW地線、中心信號線、下拉電極、介質層、懸臂梁、懸臂梁錨區。微波功率傳感器包括CPW地線、中心信號線、終端電阻、熱電堆、壓焊塊、金屬散熱片。
文檔編號G01R21/02GK101332971SQ200810020839
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月29日 優先權日2008年7月29日
發明者廖小平, 許映林 申請人:東南大學