矽基縫隙耦合式的直接式毫米波信號檢測器的製作方法

2023-12-07 01:18:56 4

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

背景技術：

當今時代是信息科學技術日益深刻發展的時代，各種各樣的電子電路技術都層出不窮的出現，對於信號的檢測技術來說，這項技術一直是軍事、航空航天以及無線通信等領域的重要研究內容。毫米波信號是波長為一到十毫米範圍內的電磁波，它處於微波和遠紅外波相交疊的區域，簡單的說毫米波是微波向高頻的延伸或光波向低頻的發展，過去，人們只對微波及微波以下的低頻信號進行著深刻的研究，但是隨著目前信號頻率的不斷上升，毫米波信號的檢測技術也是人們日益注重的課題。其中，頻率、相位和功率是描述一個完整毫米波信號的三大參數，毫米波的檢測就是對這三大參數的測量，但是如今的信號檢測器都是單獨地頻率檢測器、相位檢測器或者功率檢測器，它們無法集成在一起，而且工作頻率也無法達到毫米波頻段，這些問題一直制約著信號檢測器的發展。

隨著對共面波導縫隙耦合結構、Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及直接式熱電式功率傳感器的深入研究，針對以上信號檢測器的問題，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毫米波信號檢測器，對毫米波的三大參數實行高效的檢測，有著很大的應用價值。

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直接式毫米波信號檢測器，在頻率很高的毫米波範圍內，信號的頻率檢測、相位檢測和功率檢測一直受到無法兼容集成的困擾，而且效率也不高，於是本發明就利用了共面波導縫隙耦合結構實現毫米波的頻率、相位和功率的集成測量，而Wilkinson功分器、Wilkinson功合器以及直接式熱電式微波功率傳感器也能有效地和這些縫隙耦合結構集成在一起。

技術方案：本發明的矽基縫隙耦合式的直接式毫米波信號檢測器製作在高阻Si襯底上，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功合器以及六個直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功合器和一號直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功合器和二號直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直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直接式熱電式功率傳感器，三號Wilkinson功合器的輸出端連接五號直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直接式熱電式功率傳感器。

當毫米波信號在共面波導上傳播時，共面波導上的縫隙耦合結構可以耦合出小部分的電磁場信號，這部分被耦合出的小信號擁有與原信號相同的相位和頻率，因此可以通過某些電路來檢測信號的頻率和相位，此外，由於縫隙耦合出來的信號能量較小，大部分的信號還是會繼續通過共面波導向後傳播。首先，對於毫米波的頻率檢測模塊，它主要是由共面波導上方的兩個縫隙耦合結構、一段移相器、兩個單刀雙擲開關、一個Wilkinson功合器以及一個直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P1，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P2，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：

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，因此只要測出的值，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，再用直接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，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；

其中P3＝P1、P4＝P2，結合這兩個關係式，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。

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小部分，利用這耦合出的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，大大提高了信號檢測器的效率，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直接式毫米波信號檢測器的俯視圖

圖2為本發明的矽基縫隙耦合式的直接式毫米波信號檢測器中單刀雙擲開關的俯視圖

圖3為本發明的矽基縫隙耦合式的直接式毫米波信號檢測器中單刀雙擲開關AA』方向的剖面圖

圖4為本發明的矽基縫隙耦合式的直接式毫米波信號檢測器中Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的俯視圖

圖5為本發明的矽基縫隙耦合式的直接式毫米波信號檢測器中直接式熱電式功率傳感器的俯視圖

圖6為本發明的矽基縫隙耦合式的直接式毫米波信號檢測器中直接式熱電式功率傳感器AA』方向的剖面圖

圖7為本發明的矽基縫隙耦合式的直接式毫米波信號檢測器中直接式熱電式功率傳感器BB』方向的剖面圖

圖中包括：高阻Si襯底1，二氧化矽層2，共面波導3，頻率檢測模塊4，相位檢測模塊5，功率檢測模塊6，縫隙耦合結構7-1，縫隙耦合結構7-2，縫隙耦合結構7-3，縫隙耦合結構7-4，移相器8，隔離電阻9，非對稱共面帶線10，空氣橋11，半導體臂12，半導體臂13，歐姆接觸14，熱端15，冷端16，隔直電容17，輸出電極18，隔直電容下極板19，Si3N4介質層20，隔直電容上極板21，襯底膜結構22，一號單刀雙擲開關23，二號單刀雙擲開關24，開關梁25，錨區26，開關下拉電極板27，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直接式毫米波信號檢測器是製作在高阻Si襯底1上，是由共面波導3、一號縫隙耦合結構7-1、二號縫隙耦合結構7-2、三號縫隙耦合結構7-3、四號縫隙耦合結構7-4、移相器8、一號單刀雙擲開關23、二號單刀雙擲開關24、一個Wilkinson功分器、三個Wilkinson功合器以及六個直接式熱電式功率傳感器所構成。

單刀雙擲開關23是由共面波導3、錨區26、Si3N4介質層20、開關下拉電極板27和開關梁25組成的，共面波導3連接到錨區26上，錨區26與兩條不同支路上的開關梁25相連接，其中一條支路連接直接式熱電式功率傳感器，另一條支路連接Wilkinson功合器的輸入端，開關梁25下方存在著一層空氣間隙，在這個空氣間隙中安置有開關下拉電極板27，而在開關下拉電極板27上還覆蓋著一層Si3N4介質層20。

Wilkinson功分器和Wilkinson功合器的結構是相同的，主要由共面波導3、非對稱共面帶線10和電阻9構成，其中兩條長度相同的非對稱共面帶線10能夠將共面波導3上的毫米波信號分為相等的兩部分，而電阻9位於兩條非對稱共面帶線10的末端。

採用直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、金屬臂12、P型半導體臂13以及一個隔直電容17構成，其中金屬臂12和P型半導體臂13構成的兩個熱電偶是並聯連接的，而共面波導3直接與這兩個熱電偶的一端相連。

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7-1和二號縫隙耦合結構7-2位於共面波導3上側地線，三號縫隙耦合結構7-3和四號縫隙耦合結構7-4則位於共面波導3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8隔開，首先來看頻率檢測模塊4，一號縫隙耦合結構7-1連接到第二埠1-2，第二埠1-2與一號單刀雙擲開關23的輸入端相連，一號單刀雙擲開關23的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和一號直接式熱電式功率傳感器，同樣的，二號縫隙耦合結構7-2連接到第三埠1-3，第三埠1-3與二號單刀雙擲開關24的輸入端相連，二號單刀雙擲開關24的輸出端分別連接到一號Wilkinson功合器和二號直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直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7-3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7-4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直接式熱電式功率傳感器，三號Wilkinson功合器的輸出端連接五號直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處連接著六號直接式熱電式功率傳感器。

本發明的矽基縫隙耦合式的直接式毫米波信號檢測器的製備方法為：

1)準備高阻Si襯底1(4000Ω·cm)，厚度為400um；

2)熱氧化生長一層SiO2層2，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Wilkinson功分器的隔離電阻9和熱電偶金屬臂12的電阻率要求。

4)利用掩模版對要製作熱電偶P型半導體臂13的地方再次進行P型離子注入，達到P型半導體臂13的電阻率要求；

5)塗覆光刻膠，對多晶矽層進行光刻，最終形成隔離電阻9、熱電偶的金屬臂12和P型半導體臂13；

6)在熱電偶的金屬臂12和P型半導體臂13連接處製作歐姆接觸14；

7)在襯底上塗覆光刻膠，去除傳輸線、隔直電容17、輸出電極18和開關下拉電極板27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、隔直電容的下極板19、輸出電極18和開關下拉電極板處27；

8)在前面步驟處理得到的Si襯底上，通過PECVD生成一層厚的Si3N4介質層，光刻Si3N4介質層，僅保留要製作隔直電容17、空氣橋11和開關梁25處的Si3N4介質層20；

9)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11和開關梁24下方的聚醯亞胺犧牲層；

10)塗覆光刻膠，去除預備製作傳輸線、隔直電容17、輸出電極18、空氣橋11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、隔直電容的上極板21、輸出電極18、空氣橋11和開關梁24；

11)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22地方的光刻膠，在熱電偶中間區域即熱端15下方刻蝕減薄Si襯底，形成襯底膜結構22，保留約為40μm厚的膜結構；

12)釋放聚醯亞胺犧牲層，以去除空氣橋11和開關梁25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，則採用直接式熱電式功率傳感器來實現熱電轉換。這些結構簡單有效，降低了製作成本，同時還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，此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向後傳播。

滿足以上條件的結構即視為本發明的矽基縫隙耦合式的直接式毫米波信號檢測器。