一種微電子機(jī)械雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于微電子機(jī)械微波功率傳感器的雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)及其制備方法，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，測(cè)量幅度范圍大、不消耗直流功率；該系統(tǒng)是以砷化鎵為襯底，在襯底上設(shè)計(jì)有共面波導(dǎo)傳輸線（A）、熱電式MEMS微波功率傳感器（B）和MEMS固支梁電容式微波功率傳感器（C）：當(dāng)微波信號(hào)功率較小時(shí)，由熱電式MEMS微波功率傳感器來(lái)檢測(cè)，根據(jù)熱電堆輸出電壓與微波功率是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；當(dāng)微波信號(hào)功率較大時(shí)，由MEMS固支梁電容式微波功率傳感器來(lái)檢測(cè)，在共面波導(dǎo)傳輸線上方的MEMS固支梁設(shè)計(jì)了一個(gè)正方形的質(zhì)量塊，增加了與共面波導(dǎo)傳輸線的面積，同時(shí)增加了MEMS固支梁中心位置的重量，使得靜電力更容易引起MEMS固支梁大的形變，提高了系統(tǒng)的靈敏度。
【專利說(shuō)明】一種微電子機(jī)械雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于固支梁結(jié)構(gòu)雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的微波研究中,微波功率是表征微波信號(hào)的一個(gè)重要參數(shù)。在微波信號(hào)的產(chǎn)生、傳輸及接收各個(gè)環(huán)節(jié)的研究中，微波功率的檢測(cè)是必不可少的。最常見(jiàn)的微波功率檢測(cè)器是基于熱電轉(zhuǎn)換原理的微波功率傳感器，它把微波信號(hào)通過(guò)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)化成熱，然后再利用熱電堆的Seebeck效應(yīng)把此熱轉(zhuǎn)換成與待測(cè)微波功率成正比的直流電壓輸出。但是，傳統(tǒng)微波功率傳感器的缺點(diǎn)在于測(cè)量的信號(hào)幅度比較小，測(cè)量幅度較大的信號(hào)需要外置的耦合器或者衰減器。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的在于提供了一種微電子機(jī)械雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)微波信號(hào)的功率進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量信號(hào)的幅度范圍大、不需要消耗直流功率，而且便于集成。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是:本發(fā)明的微電子機(jī)械雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)是由砷化鎵為襯底，在襯底上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、MEMS固支梁電容式微波功率傳感器和熱電式MEMS微波功率傳感器組成。當(dāng)待測(cè)微波功率較小時(shí)，MEMS固支梁無(wú)法下拉，通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線連接到熱電式MEMS微波功率傳感器，待測(cè)微波功率由熱電式MEMS微波功率傳感器檢測(cè)；當(dāng)待測(cè)微波功率較大時(shí)，MEMS固支梁下拉，通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線連接到MEMS固支梁電容式微波功率傳感器，待測(cè)微波功率由MEMS固支梁電容式微波功率傳感器檢測(cè)。本發(fā)明的共面波導(dǎo)傳輸線是由中心信號(hào)線和地線組成。
[0005]本發(fā)明所述的MEMS固支梁電容式微波功率傳感器，在砷化鎵襯底上的中間設(shè)有CPff的信號(hào)線1，在CPW的信號(hào)線I的兩旁分別設(shè)有CPW的地線2，固支梁4下面設(shè)有傳感電極3，傳感電極3通過(guò)膜橋連接線5連接到電容檢測(cè)端口的一個(gè)端6，CPff地線2連接電容檢測(cè)端口的另一個(gè)端7，在膜橋下方的連接線5與固支梁4下方的CPW信號(hào)線1、傳感電極5上都設(shè)有氮化娃介質(zhì)層8。
[0006]本發(fā)明所述的熱電式MEMS微波功率傳感器是由共面波導(dǎo)末端并聯(lián)的兩個(gè)電阻9，熱電堆10，熱電堆輸出端口 11和增加冷端溫度穩(wěn)定性的金屬塊12組成。
[0007]本發(fā)明的MEMS固支梁電容式微波功率傳感器以砷化鎵為襯底，在襯底上的中間設(shè)有CPW的信號(hào)線，在CPW的信號(hào)線的兩旁分別設(shè)有CPW的地線，固支梁下方的傳感電極。在CPW的地線由膜橋連接，傳感電極通過(guò)膜橋下方的連接線連接到電容檢測(cè)端口的一個(gè)端，CPW的地線連接電容檢測(cè)端口的另一個(gè)端，在膜橋下方的連接線與固支梁下方的CPW的信號(hào)線、傳感電極上都設(shè)有氮化硅介質(zhì)層；
[0008]本發(fā)明的熱電式MEMS微波功率傳感器是由共面波導(dǎo)末端并聯(lián)的兩個(gè)電阻、熱電堆、輸出電壓檢測(cè)端口和穩(wěn)定熱電堆冷端溫度的金屬塊組成。[0009]本發(fā)明還提供了一種微電子機(jī)械微波功率檢測(cè)系統(tǒng)的制備方法，該方法包括如下步驟:
[0010]步驟1:準(zhǔn)備砷化鎵襯底:選用的是未摻雜的砷化鎵襯底；
[0011]步驟2:在襯底上離子注入N+型的GaAs，形成熱偶的GaAs臂；
[0012]步驟3:在襯底上淀積、刻蝕氮化鉭，形成共面波導(dǎo)末端的并聯(lián)電阻，即氮化鉭電阻；
[0013]步驟4:在襯底上濺射金，剝離去除光刻膠:形成熱偶的金臂、共面波導(dǎo)傳輸線、傳感電極，濺射的厚度為0.3 μ m ;
[0014]步驟5:淀積氮化硅介質(zhì)層:用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法工藝生長(zhǎng)I OOOA的氮化娃介質(zhì)層；
[0015]步驟6:光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層；保留固支梁下方CPW的中心信號(hào)線、膜橋下方的連接線和傳感電極上的氮化娃;
[0016]步驟7:淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層:淀積1.6 μ m厚的聚酰亞胺犧牲層，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了固支梁膜橋與氮化硅介質(zhì)層之間的高度，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留固支梁膜橋下的犧牲層；
[0017]步驟8:濺射鈦/金/鈦:濺射用于電鍍共面波導(dǎo)傳輸線和固支梁膜橋的底金，鈦/金/鈦的厚度為500/1500/300人；
[0018]步驟9:電鍍金:電鍍共面波導(dǎo)傳輸線和固支梁膜橋，厚度為2 μ m ;
[0019]步驟10:去除光刻膠、釋放犧牲層:用顯影液釋放固支梁結(jié)構(gòu)下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無(wú)水乙醇脫水，形成懸浮的固支梁膜橋。
[0020]有益效果:
[0021]1、動(dòng)態(tài)范圍大:MEMS固支梁電容式微波功率傳感器適用于檢測(cè)大功率信號(hào)，熱電式MEMS微波功率傳感器適用于檢測(cè)小功率信號(hào)；
[0022]2、可靠性能高:當(dāng)微波信號(hào)功率很大時(shí)，MEMS固支梁電容式微波功率傳感器類似于一個(gè)并聯(lián)電容，它會(huì)耦合出絕大部分微波功率，可以起到保護(hù)熱電式MEMS微波功率傳感器不被燒毀的作用；
[0023]3、靈敏度提高:在共面波導(dǎo)傳輸線上方的MEMS固支梁設(shè)計(jì)了一個(gè)正方形的質(zhì)量塊，增加了與共面波導(dǎo)傳輸線的面積，同時(shí)增加了 MEMS固支梁中心位置的重量，使得靜電力更容易引起MEMS固支梁大的形變。
[0024]本發(fā)明是基于MEMS技術(shù)，具有MEMS的基本優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕、功耗低等。該結(jié)構(gòu)全部都是無(wú)源器件構(gòu)成，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，便于集成，這一系列優(yōu)點(diǎn)是傳統(tǒng)的微波功率檢測(cè)器無(wú)法比擬的，因此它具有很好的研究和應(yīng)用價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本發(fā)明雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)的原理圖。
[0026]標(biāo)識(shí)說(shuō)明:A-共面波導(dǎo)傳輸線；B-熱電式MEMS微波功率傳感器；C_MEMS固支梁電容式微波功率傳感器。[0027]圖2是本發(fā)明雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]標(biāo)識(shí)說(shuō)明:1-CPW的中心信號(hào)線；2_CPW的地線；3_電容式MEMS微波功率傳感器的傳感電極；4-電容式MEMS微波功率傳感器的固支梁；5-電容式MEMS微波功率傳感器膜橋；6-電容式MEMS微波功率傳感器輸出端端口一 6 ；7-電容式MEMS微波功率傳感器輸出端端口二 ；8_氮化硅(SiN)介質(zhì)層；9_熱電式MEMS微波功率傳感器電阻(TaN)5IO-熱電式MEMS微波功率傳感器熱電堆；11_熱電式MEMS微波功率傳感器的輸出端口 ；12_增加冷端溫度穩(wěn)定性的金屬塊。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]如圖1所示，當(dāng)待測(cè)微波功率較小時(shí)，MEMS固支梁無(wú)法下拉，通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線連接到熱電式MEMS微波功率傳感器，待測(cè)微波功率由熱電式MEMS微波功率傳感器檢測(cè)；當(dāng)待測(cè)微波功率較大時(shí)，MEMS固支梁下拉，通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線連接到MEMS固支梁電容式微波功率傳感器，待測(cè)微波功率由MEMS固支梁電容式微波功率傳感器檢測(cè)。采用這兩種檢測(cè)方式不但可以擴(kuò)展檢測(cè)微波信號(hào)的幅度范圍，而且當(dāng)微波信號(hào)過(guò)大時(shí)，MEMS固支梁電容式微波功率傳感器可以通過(guò)分流而起到保護(hù)熱電式MEMS微波功率傳感器不被燒毀的作用。
[0031]MEMS固支梁電容式微波功率傳感器如圖2所示:以砷化鎵為襯底，在襯底上的中間設(shè)計(jì)有信號(hào)輸入端口，在CPW的信號(hào)線兩旁分別設(shè)有CPW的地線，在CPW的地線上設(shè)有橋墩，在橋墩上設(shè)有固支梁，在固支梁下方(CPW的信號(hào)線的旁邊)設(shè)有傳感電極，傳感電極通過(guò)膜橋連接線連接到電容檢測(cè)的一個(gè)端口，CPW的地線連接電容檢測(cè)的另一個(gè)端。在固支梁下方CPW的信號(hào)線、膜橋下方的連接線和傳感電極上表面設(shè)有氮化硅介質(zhì)層。較大幅度的微波信號(hào)在通過(guò)帶有固支梁的共面波導(dǎo)(CPW)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生靜電力，從而將固支梁下拉，弓丨起固支梁與傳感電極之間電容發(fā)生變化，通過(guò)電容檢測(cè)電路測(cè)出電容，其值是與信號(hào)功率幅度是—對(duì)應(yīng)的，從而檢測(cè)出信號(hào)功率的幅度。
[0032]如圖2所示的熱電式MEMS微波功率傳感器，在共面波導(dǎo)的末端并聯(lián)兩個(gè)電阻，兩個(gè)并聯(lián)的電阻吸收輸入的微波功率，通過(guò)熱電堆將吸收的微波功率轉(zhuǎn)化為電勢(shì)差，電勢(shì)差是與信號(hào)功率幅度一一對(duì)應(yīng)的，從而檢測(cè)出信號(hào)的功率幅度。為了使熱電堆的冷端與襯底溫度相同，在其旁邊連接了一塊大面積的金屬，熱電堆的冷熱端分別連接在兩個(gè)檢測(cè)電勢(shì)差的端口上。
[0033]本發(fā)明所述檢測(cè)系統(tǒng)是由砷化鎵為襯底，在襯底上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、熱電式MEMS微波功率傳感器和MEMS固支梁電容式微波功率傳感器組成；
[0034]本發(fā)明所述系統(tǒng)的微波信號(hào)功率較小時(shí)是通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線連接到熱電式MEMS微波功率傳感器。
[0035]本發(fā)明所述系統(tǒng)的微波信號(hào)功率較大時(shí)是通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線連接到MEMS固支梁電容式微波功率傳感器的輸入端。
[0036]本發(fā)明所述的MEMS固支梁電容式微波功率傳感器，在砷化鎵襯底上的中間設(shè)有CPff的信號(hào)線1，在CPW的信號(hào)線I的兩旁分別設(shè)有CPW的地線2，固支梁4下面設(shè)有傳感電極3，傳感電極3通過(guò)膜橋連接線5連接到電容檢測(cè)端口的一個(gè)端6，CPff地線2連接電容檢測(cè)端口的另一個(gè)端7，在膜橋下方的連接線5與固支梁4下方的CPW信號(hào)線1、傳感電極5上都設(shè)有氮化娃介質(zhì)層8。
[0037]本發(fā)明所述的熱電式MEMS微波功率傳感器是由共面波導(dǎo)末端并聯(lián)的兩個(gè)電阻9，熱電堆10，熱電堆輸出端口 11和增加冷端溫度穩(wěn)定性的金屬塊12組成。
[0038]一種微電子機(jī)械雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)的制備方法，該方法包括如下步驟:
[0039]I)準(zhǔn)備砷化鎵襯底:選用的是未摻雜的砷化鎵襯底；
[0040]2)在襯底上離子注入N+型的GaAs，形成熱偶的GaAs臂；
[0041]3)在襯底上淀積、刻蝕氮化鉭，形成共面波導(dǎo)末端的并聯(lián)電阻，即氮化鉭電阻；
[0042]4)在襯底上濺射金，剝離去除光刻膠:形成熱偶的金臂、共面波導(dǎo)傳輸線、傳感電極，濺射的厚度為0.3μπι;
[0043]5)淀積氮化硅介質(zhì)層:用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法工藝生長(zhǎng)1000Α的氮化硅介質(zhì)層；
[0044]6)光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層；保留固支梁下方CPW的中心信號(hào)線、膜橋下方的連接線和傳感電極上的氮化娃;
[0045]7)淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層:淀積1.6 μ m厚的聚酰亞胺犧牲層，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了固支梁膜橋與氮化硅介質(zhì)層之間的高度，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留固支梁膜橋下的犧牲層；
[0046]8)濺射鈦/金/鈦:濺射用于電鍍共面波導(dǎo)傳輸線和固支梁膜橋的底金，鈦/金/鈦的厚度為500/1500/300A;
[0047]9)電鍍金:電鍍共面波導(dǎo)傳輸線和固支梁膜橋，厚度為2 μ m ;
[0048]10)去除光刻膠、釋放犧牲層:用顯影液釋放固支梁結(jié)構(gòu)下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無(wú)水乙醇脫水，形成懸浮的固支梁膜橋。
[0049]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)如下:
[0050]1.雙通道微波功率測(cè)量:采用熱電式MEMS微波功率傳感器和MEMS固支梁電容式微波功率傳感器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，前者適用于檢測(cè)功率較小的微波信號(hào)，后者適用于檢測(cè)功率較大的微波信號(hào)。
[0051]2.在共面波導(dǎo)傳輸線上方的MEMS固支梁上面有一個(gè)正方形的質(zhì)量塊:MEMS固支梁電容式微波功率傳感器的工作原理為:微波信號(hào)產(chǎn)生靜電力將固支梁膜橋下拉，引起電容的變化，由電容檢測(cè)電路檢測(cè)出電容，從而推出微波信號(hào)的功率幅值。在共面波導(dǎo)傳輸線上方的MEMS固支梁上面設(shè)計(jì)了一個(gè)正方形的質(zhì)量塊，增加了與共面波導(dǎo)傳輸線的面積，同時(shí)增加了 MEMS固支梁中心位置的重量，使得靜電力更容易引起MEMS固支梁大的形變，這種結(jié)構(gòu)的MEMS固支梁電容式微波功率傳感器具有更高的靈敏度。
[0052]滿足以上條件的結(jié)構(gòu)即視為本發(fā)明的基于固支梁結(jié)構(gòu)雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)。
【權(quán)利要求】
1.一種微電子機(jī)械雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述檢測(cè)系統(tǒng)是由砷化鎵為襯底，在襯底上設(shè)有共面波導(dǎo)傳輸線、熱電式MEMS微波功率傳感器和MEMS固支梁電容式微波功率傳感器組成；所述的熱電式MEMS微波功率傳感器是由共面波導(dǎo)末端并聯(lián)的兩個(gè)電阻、熱電堆、輸出電壓檢測(cè)端口和穩(wěn)定熱電堆冷端溫度的金屬塊組成；所述的共面波導(dǎo)傳輸線是由中心信號(hào)線和地線組成；在所述的共面波導(dǎo)傳輸線上方的MEMS固支梁上面有一個(gè)正方形的質(zhì)量塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微電子機(jī)械雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述的MEMS固支梁電容式微波功率傳感器，在砷化鎵襯底上的中間設(shè)有CPW的信號(hào)線(I )，在CPff的信號(hào)線(I)的兩旁分別設(shè)有CPW的地線⑵，固支梁(4)下面設(shè)有傳感電極(3)，傳感電極(3 )通過(guò)膜橋連接線(5 )連接到電容檢測(cè)端口的一個(gè)端(6 )，CPW地線(2 )連接電容檢測(cè)端口的另一個(gè)端(7)，在膜橋下方的連接線(5)與固支梁(4)下方的CPW信號(hào)線(I)、傳感電極(5 )上都設(shè)有氮化硅介質(zhì)層(8 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微電子機(jī)械雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述的熱電式MEMS微波功率傳感器是由共面波導(dǎo)末端并聯(lián)的兩個(gè)電阻(9)，熱電堆(10)，熱電堆輸出端口(11)和增加冷端溫度穩(wěn)定性的金屬塊(12)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微電子機(jī)械雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)的微波信號(hào)功率較小時(shí)是通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線連接到熱電式MEMS微波功率傳感器；所述系統(tǒng)的微波信號(hào)功率較大時(shí)是通過(guò)共面波導(dǎo)傳輸線連接到MEMS固支梁電容式微波功率傳感器的輸入端。
5.一種微電子機(jī)械雙通道微波功率檢測(cè)系統(tǒng)的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 步驟1:準(zhǔn)備砷化鎵襯底:選用的是未摻雜的半絕緣砷化鎵襯底； 步驟2:在襯底上離子注入N+型的GaAs，形成熱偶的GaAs臂(10); 步驟3:在襯底上淀積、刻蝕氮化鉭，形成氮化鉭電阻(9)； 步驟4:在襯底上濺射金，剝離去除光刻膠:形成熱偶的金臂(10)、共面波導(dǎo)傳輸線(A)、傳感電極(3)，濺射的厚度為0.3 μ m ; 步驟5:淀積氮化硅介質(zhì)層(8):用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法工藝生長(zhǎng)1000/1的氮化娃介質(zhì)層； 步驟6:光刻并刻蝕氮化硅介質(zhì)層；保留固支梁下方CPW的中心信號(hào)線(I)、膜橋(5)下方的連接線和傳感電極(3)上的氮化硅； 步驟7:淀積并光刻聚酰亞胺犧牲層:淀積1.6μπι厚的聚酰亞胺犧牲層，聚酰亞胺犧牲層的厚度決定了固支梁(4)與氮化硅介質(zhì)層(8)之間的高度，光刻聚酰亞胺犧牲層，僅保留固支梁膜橋(4)下的犧牲層； 步驟8:濺射鈦/金/鈦:濺射用于電鍍共面波導(dǎo)傳輸線(A)和固支梁(4)的底金，鈦/金/鈦的厚度為500/1500/300/i; 步驟9:電鍍金:電鍍共面波導(dǎo)傳輸線(K)和固支梁膜橋(14)，厚度為2μπι; 步驟10:去除光刻膠、釋放犧牲層:用顯影液釋放固支梁結(jié)構(gòu)下方的聚酰亞胺犧牲層，并用無(wú)水乙醇脫水，形成懸浮的固支梁膜橋(4)。
【文檔編號(hào)】B81B7/02GK103777066SQ201410003490
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】王德波 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)